6.场效应晶体管-MOSFET

1、半导体器件原理南京大学课堂练习1。7.3 如图所示的晶体管，栅压要改变多少才能使衬底反型？阈值电压是多少？假设外加电压一半降在氧化层上，一半降在半导体上。如果图中的的晶体管处于热平衡态，那么这个器件是何种类型？2。7.5 对于一个用简并掺杂n型硅栅制作的NFET, 如果希望不加栅压时就存在沟道，p型衬底的掺杂浓度是多少？假设内建电势差一半降在氧化层上，一半降在硅上，“沟道存在”的定义是 硅表面反型层，即在Si/SiO2界面处的电子浓度等于p型硅体内的空穴浓度。所求出的掺杂浓度是形成耗尽型器件所需要的最小掺杂浓度，还是最大掺杂浓度？3。7.11一个增强型NFET， 参数如表一所示(ulf=500

2、cm2/VS, tox=4nm; Cox=8.6*10-7F/cm2)，阈值电压VT=1V,沟道长度1um， 宽度5um， 考虑速度饱和效应，vsat=5*106cm/s, 求下列情形下的电流ID(1) VGS=0V, VDS=1V; (2) VGS=2V, VDS=1V; (3) VGS=3V, VDS=1V半导体器件原理南京大学长沟道MOSFETs的沟道调制半导体器件原理南京大学短沟道效应速度饱和效应沟道调制效应源漏串联电阻MOSFET击穿沟道长度减小，导致电流增大，而本征电容变小。7.4 短沟道MOSFETs (8.7, P357)半导体器件原理南京大学1。短沟道效应： 阈值电压的减小，

3、必须保证芯片上最小沟道长度器件的阈值电压不会太小。 短沟道MOSFET中，耗尽层厚度宽于长沟道器件。 漏源距离与MOS耗尽层宽度相当，使源漏电势对能带的弯曲有较大的影响。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（1）二维电势等高线和电荷共享模型半导体器件原理南京大学长短沟道器件的区别半导体器件原理南京大学电荷共享模型（离化固定电荷）半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（2）势垒降低短沟道器件中，源及漏的电场穿透进沟道中央，降低了漏源之间的势垒，引起亚阈值电流的增加，导致阈值电压的下降。漏电压的增加引起的势垒进一步降低和最高势垒点向源端的偏移，导致阈值电压的继续下降。（DIBL效应）

4、长沟道中亚阈值电流不依赖于漏电压，短沟道中高漏电压则使亚阈值电流发生平行偏移。过短沟道器件中则使亚阈值斜率的减小并最终导致栅压失去控制。半导体器件原理南京大学表面势和侧向距离的关系长短沟道器件的区别半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（3）二维泊松方程和横向电场穿透离化受主分为纵向电场控制和横向电场控制两部分。长沟道器件中第二部分可忽略，而短沟道器件中则变得显著。同样高漏电压也会提高横向电场，并使零电场点移向源端。半导体器件原理南京大学纵向电场和侧向距离的模拟关系半导体器件原理南京大学横向电场的增加，使受源漏电压控制的耗尽电荷密度增大，而受栅压控制的耗尽层宽度变大，但积分电荷密度减小，

5、导致阈值电压的下降。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（4）短沟道阈值电压的表达式（扩散电流为主）半导体器件原理南京大学（4）短沟道阈值电压的表达式（扩散电流为主）与长沟道器件相比：为避免过量的短沟道效应，CMOS器件中衬底或阱里的掺杂必须保证最小的沟道长度是Wdm的两到三倍，或大于源与漏端的耗尽层宽度之和。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学2。速度饱和半导体器件原理南京大学2。速度饱和：短沟道器件的漏电流由于速度饱和效应而在一较小的电压下就已饱和（而不是由于夹断）半导体器件原理南京大学（1）速度电场依赖关系半导体器件原理南京大学（2）n=1时对空穴的分析解半导体器件原理南

6、京大学Ids为常数半导体器件原理南京大学（3）饱和漏电压和漏电流：dIds/dVds=0对长沟道情形对L0情形（薄层电荷近似）随沟道长度的减小而降低半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（4）速度饱和时的夹断点 漏端横向电场达到很大，类似与长沟道中的情形，载流子不在限制在表面沟道层中。（5）过饱和速度 在高场或陡峭的空间电势变化时，载流子不再与硅的晶格处在热平衡状态， 从而超过过饱和速度：热载流子半导体器件原理南京大学3。沟道长度调制 饱和电流继续增加的两个原因：短沟道效应与沟道长度调制（1）饱和点以上的漏电流：饱和点向源端移动，饱和点与源端之间一维近似仍然成立。 载流子在饱和点与漏端之

7、间以饱和速度运动，直至漏端（二维）。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（2）速度饱和区的准二维模型饱和点附近的一维高斯定理纵向电场逐步减小半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学电流连续要求电荷为常数，类似与短沟道效应，只是耗尽电荷换成了可移动电荷。（由栅压控制转为漏电压控制）。半导体器件原理南京大学由于横向电场与纵向电场相比变得显著，电荷的运动逐渐离开了表面。半导体器件原理南京大学（3）漏区的峰值电场V（y=L）=Vds横向电场逐步增加105到106 V/cm半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学4。源漏串联电阻2000 / - n MOSFET7000 / - pMOS

8、FET vDS /V iD(1) 截止区VGS VT以下区域就是截止区VGS VT ID=0(2) 放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VGS -VDS VP VDSID不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3)饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域VGS -VDS VP VDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻半导体器件原理南京大学5。 MOSFET击穿： nMOSFETs的击穿电压较pMOSFETs为低 电子具有更高的离化系数 n+源漏结比p+结更陡峭 对沟道长度有弱的依赖关系 短沟道器件具有较小的隧穿电压。假设氧化层是理想

9、绝缘体。如果氧化层中的电场变得足够大，击穿就会发生，这将导致器件的崩溃。在二氧化硅中，击穿时的电场为6106V/cm左右。此击穿场强比硅中的大，但是栅氧化层还是很薄。当氧化层厚度为500A时，大约30伏特的栅压可以造成击穿。但是，通常因数的安全边界值为3，因此，tox500A时的最大安全栅压为10伏特。因为在氧化层中可能存在缺陷，从而降低击穿场强，所以安全的边界值是必要的。除了在功率器件和极薄氧化层器件中，氧化层击穿通常不是很重要的问题。漏极附近的空间电荷区离化可以造成雪崩击穿。在理想单边pn结中，击穿主要是pn结低掺杂区的掺杂浓度的函数。对于MOSFET，低掺杂区对应于半导体衬底。例如，如果

10、一p型衬底掺杂浓度为Na31016cm3，那么对于缓变结击穿电压大约为25伏特。然而，n漏极可能是一个相当浅的扩散区并发生弯曲。耗尽区的电场在弯曲处有集中的趋向，从而降低了击穿电压。半导体器件原理南京大学漏端离化导致漏电流增加，离化空穴为衬底接受而使源与衬底之间形成正偏，从而降低了阈值电压，并形成一正反馈效应，导致击穿。另一种击穿机制为S形击穿曲线。这种击穿是由于二级效应而产生的。寄生双极晶体管中电流增益的改变而引起的MOSFET击穿过程中出现的负阻效应.图中的n沟增强型MOSFET的几何图形表明了源极和衬底接地。n（源）p（衬底）n（漏）结构形成了一个寄生双极晶体管。其等效电路示于图b。寄生

11、晶体管导通使 MOSFET 由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态, 从而发生雪崩 击穿. 寄生晶体管击穿 隧穿是指这样的情形，漏衬底空间电荷区完全经过沟道区延展到源衬底空间电荷区。此时，源、漏之间的势垒完全消失，可能存在较大的漏电流。准隧穿效应 是最大电场强度的函数。随着沟道长度的变小，偏置电压可能不会相应地按比例缩小，因此结电场会变大。当电场变大时，近雪崩击穿和近隧穿效应会变得更加严重。此外，器件的几何图形按比例缩小后，寄生双极器件的影响更大，从而使击穿效应增强。结击穿电压 一种是改变漏极的掺杂剖面。轻掺杂漏（LDD）设计及其掺杂剖面示于图a中，传统的MOSFET及其掺杂剖面示于图b作为对比

12、。通过引入轻掺杂漏，空间电荷区中电场的峰值减小了，击穿效应被降到最小。漏极的电场峰值是半导体掺杂浓度和n漏区弯曲程度的函数。 抑制击穿效应的方法通过离子注入进行阈值调整有许多的因素，诸如固定氧化层电荷、金属半导体功函数差、栅氧化层厚度以及半导体掺杂浓度都可以影响阈值电压。尽管对各种不同的应用来说所得的阈值电压不一定满足条件，所有的这些参数都可以在特定的设计和工艺中被确定下来。可以通过离子注入来调整氧化层半导体表面附近的衬底掺杂浓度，从而得到满意的阈值电压。另外，离子注入不仅可以用来掺杂沟道区，它还被广泛地应用于器件的制造过程中，是一种标准的工艺；例如，它可以被用于形成晶体管的源区和漏区。 改变

13、掺杂浓度从而改变阈值电压，准确地说就是控制注入到氧化层表面附近的半导体中的施主或受主的数目。当MOS器件偏置在耗尽模式或反型模式且注入掺杂原子位于空间电荷区中时，离化的掺杂电荷添加到最大空间电荷密度中，这样就控制了阈值电压。将受主注入到p或n型衬底中会使得阈值电压变得更正，而注入施主将使得阈值电压变得更负辐射和热电子发射 辐射引入的氧化层电荷二氧化硅的禁带宽度大约为9eV。此图形象地说明了在氧化层中由于离化辐射引起的电子空穴对。辐射引入的电子被推向栅极，辐射引入的空穴被推向衬底。现在已经发现氧化层中产生的电子有着很大的迁移率，其值大约在20 cm2/V-s数量级左右。当高场强时，氧化层中的电子

14、速度也会在107cm/s时饱和，在典型的栅氧化层厚度下，电子的迁移时间的数量级为1ps。当正栅压时，大量的 辐射引入电子从栅极 流出；因此，通常这 些电子对MOS器件的 辐射响应并不起主要 作用。p型衬底正栅压的MOS器件能带图辐射引入的氧化层电荷当空穴到达硅二氧化硅界面时，其中的一部分被陷阱俘获，另一部分流入硅中。由于这些被俘获的空穴，辐射引入的净正电荷位于氧化层的陷阱内。这些被俘获的电荷很长时间地存在陷阱中，可以长达数月或数年之久。正如我们所看到的，正氧化层电荷会引起阈值电压向负方向偏移。空穴陷阱密度在1012到1013cm2范围内，依赖于氧化层和器件的工艺。通常，这些陷阱存在于Si-Si

15、O2界面附近大约50A的区域。空穴陷阱通常和硅缺陷有关，这些硅缺陷在SiO2结构中存在氧空位。氧空位存在于Si-SiO2界面附近的“多硅”区域。由于阈值电压或平带电压的偏移是陷阱电荷数量的函数，电压偏移是氧化层所加电压的函数。 辐射引入的界面态 我们已经讨论了界面态对MOS电容器CV特性以及对MOSFET特性的影响。n沟MOS器件界面态中的净电荷在达到阈值反型点时是负的。这些负电荷会使阈值电压向正的方向偏移，这同由于正氧化层电荷导致的偏移方向相反。另外，由于界面态可以被充电，会和反型电荷有一定的库仑作用，这意味着反型载流子迁移率是界面态密度的函数。因此，界面态对阈值电压和载流子迁移率都有影响。

16、当MOS器件被离化辐射后，在Si-SiO2界面处产生附加的界面态。辐射引入的界面态在禁带的下半部分表现为施主态，在上半部分表现为受主态。 辐射引入的界面态我们讨论亚阈值电导时曾经讲过，ID和VGS函数曲线中在亚阈值区处的斜率是界面态密度的函数。下图为不同总的离化剂量下的亚阈值电流。图中斜率的变化说明了界面态密度随总剂量而增大。辐射引入的界面态Si-SiO2界面辐射引入界面态的生成过程强烈依赖于器件的工艺。铝栅MOSFET中界面态的生成要小于多晶硅栅器件所生成的界面态。这个区别主要是因为两种工艺之间的差别而非器件固有的区别。氢气对于辐射引入的界面态的生成显得比较重要，因为氢气在界面处可以使得硅键

17、悬浮，从而减小了界面态的预辐射密度。然而，被氢气钝化的器件更容易生成界面态。界面处的硅氢键可能会被辐射过程所损坏，从而留下悬浮的硅键，表现为界面态陷阱。这些界面处的陷阱已经从电子自旋共振试验中得到证实。界面态可以严重影响MOSFET特性，从而影响MOSFET电路的性能。正如我们已经讲过的，辐射引入的界面态可以导致阈值电压发生偏移，影响电路的性能。迁移率的降低会影响电路的速度和输出驱动能力。 氧化层电荷和界面态的另一个来源是热电子效应。工作在雪崩击穿附近的MOSFET漏极附近的电子可能有比热平衡时大得多的能量值。这些热电子有足够的能量以穿透氧化层半导体壁垒。热电子充电效应我们已经讨论了MOSFE

18、T中击穿电压的效应。特别地，当漏结空间电荷区的电场增大时，由于碰撞电离可以产生电子空穴对。在n沟MOSFET中，产生的电子被扫向漏极，产生的空穴被扫入衬底。由于正栅压产生的电场，空间电荷区中的一些电子被吸引到氧化层；这个效应示于下图。热电子充电效应这些产生的电子的能量比热平衡时要高许多，被称为热电子。如果电子的能量在1.5eV左右，它们可能会穿入氧化层；或者它们会克服二氧化硅势垒而产生栅电流，大小约为1015A（fA）或1012A（pA）。一部分电子穿越氧化层时可能被俘获，形成净的负氧化层电荷，电子被俘获的概率通常小于空穴的；但是热电子引入的栅电流可以很长时间地存在，因此负的充电效应就产生了。

19、负氧化层陷阱电荷会导致阈值电压的正向偏移。绝缘层上硅(SOI)SOI的两种类型异质结场效应晶体管（HFET）剖面示意图HFET垂直于源方向的能带图MESFETMESFET热平衡时的剖面图和能带图MESFET的能带图和耗尽区MESFET工作原理E型MESFET开启电压MESFET 小VDS偏置下的剖面图和能带图沿MESFET沟道的电子势能Ec的分布（0VDSVDSat偏置下的剖面图和能带图 砷化钾MESFET的结构如图所示,它是在一块半绝缘的砷化钾衬底上用外延法生长一层N型砷化钾层,在其两端分别引出源极和漏极,在两者之间引出栅极。对于砷化钾MESFET,栅长是一个决定最大工作频率（fmax）的关

20、键参数。 首次出现于1980年的高电子迁移率晶体管（HEMT）可以最大限度地利用砷化钾的高电子迁移率的特性。耗尽型的HEMT场效应管是在半绝缘的GaAs衬底上连续生长不掺杂或轻掺杂的GaAs、掺硅的n型AlxGa1-xAs层和掺硅的n型GaAs层,在AlxGa1-xAs层内形成耗尽层。再利用AlGaAs和GaAs电子亲和力之差,在未掺杂的GaAs的表面之下形成二次电子气层,如图所示。 另一种GaAs异质结器件GaAsHBT也越来越受关注,它属于改进型的双极晶体管,其发射极和基极被制作在不同材料的禁带中,如图所示。 GaAs-MESFET具有优良的微波、高速、大功率和低噪音等性能。例如，对于栅长

21、L=1m、栅宽W=250m的微波GaAs-MESFET的噪音，在C波段时为1 dB (相应的BJT为2 dB)，在Ku波段时为2.53 dB (相应的BJT为5 dB)。与微波硅BJT相比，GaAs-MESFET不仅工作频率高 (可达60GHz)、噪声低，而且饱和电平高、可靠性高等；这是由于与硅相比，n-GaAs外延材料的电子迁移率要大5倍、峰值漂移速度要大2倍，而且器件的衬底可用半绝缘GaAs（SI- GaAs ）以减小寄生电容。此外，HEMT由于其栅极往往是Schottky势垒栅，故实际上也可以看成是一种性能特别优良的超高频、超高速的MESFET。结型场效应晶体管（JFET）剖面示意图、能带图以及VDS0时耗尽区增大，沟道变窄，沟道电阻增大ID（1）VGS对导电沟道的影响：VP(VGS(OFF) )：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。N沟道结型场效应管工作原理：(c) |VGS | = VP ，导电沟道被全夹断(b) 0 VGS 0 但|VGS-VDS| |VP |时的漏极电流 当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。实验