半导体器件之MOS

金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1双端ＭＯＳ结构电容－电压特性ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理频率限制特性ＣＭＯＳ技术双端MOS结构能带图耗尽层厚度功函数差平带电压阈值电压电荷分布3MOS

MOS结构氧化层厚度氧化层介电常数Al或高掺杂的多晶Sin型Si或p型SiSiO24MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容实际的铝线-氧化层-半导体

（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）5MOS电容

表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级6负栅压：多子的积累，体内多子顺电场方向被吸引到S表面，

能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形(耗尽层)7小的正栅压：多子耗尽，表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，形成负的空间电荷区。能带变化：P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，8大的正栅压情形(反型层+耗尽层)MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)大的正栅压：能带下弯程度↑，表面Efi到EF下，表面具n型。P衬表面Na-面电荷密度↑，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成。注意：栅压↑反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。阈值反型后，xd↑最大值XdT不再扩展。MOS电容

表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形9MOS电容

表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形大的负栅压情形(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型10MOS电容

空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势表面势表面空间电荷区厚度半导体表面电势与体内电势之差半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似P型衬底11耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的Na-，由半导体浓度的限制，分布在S表面一定厚度内，负的空间电荷区MOS电容

空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度表面空间电荷区厚度P型衬底表面电子浓度：体内空穴浓度：栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度达到最大值12n型反型层和p型衬底之间的结近似为n＋p单边突变结MOS电容

空间电荷区厚度:n型衬底情形阈值反型点条件：表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度表面势n型衬底13MOS电容

空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际器件参数区间1415MOS电容

表面反型层电子浓度与表面势的关系1611.1MOS电容

功函数差:MOS接触前的能带图金属的功函数金属的费米能级二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体外到真空所需最小能量。11.1MOS电容

功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能18接触之后能带图的变化：1）MOS成为统一系统，0栅压下热平衡状态有统一的EF。2）SiO2的能带倾斜：3）半导体一侧能带弯曲：11.1MOS电容

功函数差:计算公式内建电势差：功函数差19功函数差使二者能带发生弯曲，弯曲量之和是金属半导体的功函数差。11.1MOS电容

功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)<0近似相等n+掺杂至简并简并：degenerate退化，衰退2011.1MOS电容

功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥02111.1MOS电容

功函数差:与掺杂浓度的关系2211.1MOS电容

平带电压:定义MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因金属与半导体之间加有电压（栅压）半导体与金属之间存在功函数差氧化层中存在净的空间电荷平带电压定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压来源：金属与半导体之间的功函数差，氧化层中的净空间电荷23单位面积电荷数金属上的电荷密度2411.1MOS电容

平带电压:定义11.1MOS电容

平带电压:公式Vox0+s0=-

ms零栅压时：单位面积电荷数金属上的电荷密度2511.1MOS电容阈值电压:公式阈值电压：达到阈值反型点时所需的栅压表面势=费米势的2倍|QSDmax|=eNaxdTQSDns刚强反型时,Qns«QSD,忽略反型层电荷26影响阈值电压的主要因素：(1)栅电容Cox。Cox=ε0εox/tox，Cox越大，VT的绝对值越小。增大栅电容的关键是制作薄而且致密的优质栅氧化层，也可选用介电常数更大的材料，如Si3N4，用SiO2/Si3N4的FET称MNOSFET，用Al2O3/SiO2的FET称为MAOSFET。(2)衬底杂质浓度的影响。费米势随衬底杂质浓度的的增加而增加，但增加的速度很慢，例如从1015cm-3~1017cm-3，费米势变化只有0.1V，因此改变衬底杂质浓度，费米势变化不大。表面耗尽层的空间电荷面密度QBM~NB1/2，改变衬底杂质浓度可改变阈值电压的大小，在现代MOS中，以大量采用离子注入技术，调整沟道杂质浓度，以满足阈值电压的大小。(3)氧化层电荷密度QOX的影响。它包括固定电荷（Qf--fixedoxidecharge

）、界面陷阱电荷（Qit--Interfacetrappedcharge

）、可动电荷（Qm--Mobileioniccharge

）及氧化层陷阱电荷（Qot--

oxidetrapcharge

）。在一般工艺条件下Qox可达1011~1012cm-3，在高Qox下，VT是负值，只能是耗尽型nMOS，要制得增强型nMOS(VT>0)是困难的。11.1MOS电容阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系P型衬底MOS结构Q‘ss越大，则VTN的绝对值越大；Na越高，则VTN的值（带符号）越大Na很小时，VTN随Na的变化缓慢，且随Q’ss的增加而线性增加

Na很大时，VTN

随Na

的变化剧烈，且与Q’ss

的相关性变弱28VTN=0时，即不加电压,已经成立11.1MOS电容阈值电压:导通类型VTN>0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型VTN<0MOSFET为耗尽型VG=0时已反型，加有负栅压后才能脱离反型P型衬底MOS结构2911.1MOS电容阈值电压:n型衬底情形30费米势表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积栅氧化层电容平带电压阈值电压11.1MOS电容n型衬底与p型衬底的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构阈值电压典型值金属-半导体功函数差3111.1MOS电容表面反型层电子密度与表面势的关系3211.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系堆积平带耗尽弱反型强反型3311.2节内容理想情况CV特性频率特性氧化层电荷及界面态的影响实例3411.2C-V特性什么是C-V特性？平带电容-电压特性3511.2C-V特性堆积状态加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容平带本征3611.2C-V特性平带状态所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲平带本征3711.2C-V特性耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容平带本征C’相当与Cox与Csd’串联3811.2C-V特性强反型状态(低频)加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化平带本征3911.2C-V特性n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构4011.2C-V特性反型状态(高频)加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。栅压频率的影响41小节内容理想情况CV特性CV特性概念堆积平带耗尽反型下的概念堆积平带耗尽反型下的计算频率特性高低频情况图形及解释4211.2C-V特性氧化层电荷的影响例图:如果Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负-----++4311.2C-V特性界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电图11.32氧化层界面处界面态示意图44界面态：半导体界面处允许的能态11.2C-V特性界面陷阱的影响:堆积状态堆积状态：界面陷阱带正电，C-V曲线左移，平带电压更负例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电,所以平带电压更负------+++施主态容易放出电子带正电45禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响11.2C-V特性界面陷阱的影响:本征状态46反型状态：界面陷阱带负电，C-V曲线右移，阈值电压更正。11.2C-V特性界面陷阱的影响:反型状态例图:需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电,所以阈值电压升高___++++++受主态容易接受电子带负电4748小节内容氧化层电荷及界面态对C-V曲线的影响氧化层电荷影响及曲线界面态概念界面态影响概念曲线实例如何测C-V曲线如何看图解释出现的现象4911.3MOSFET基本工作原理MOS结构电流电压关系——概念电流电压关系——推导跨导衬底偏置效应5011.3MOSFET原理

MOSFET结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图BPGN+N+氮氮SDSiO2Ltox1.结构SGDB2.符号3.基本参数沟道长度L(跟工艺水平有关)沟道宽度W栅氧化层厚度tox5111.3MOSFET原理

MOSFET分类(1)n沟道MOSFETp型衬底，n型沟道，电子导电VDS>0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS<0，使空穴从源流到漏按照导电类型的不同可分为：5211.3MOSFET原理

MOSFET分类(2)n沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTN>0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN<0按照零栅压时有无导电沟道可分为：5311.3MOSFET原理

MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP<0p沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTP>054增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启“1”导通）P沟（负电压开启“0”导通）耗尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）5511.3.2N沟道增强型MOS场效应管工作原理1.VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响(1)

VGS

=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD当VGS

逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+56(2)VGS

>0逐渐增大栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近SiO2

一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大VGS

耗尽层变宽。当VGS继续升高时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型层iD由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2

之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。这时，在VDS的作用下就会形成ID。(3)VGS

继续增大弱反型强反型VDS57阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。阈值电压MOS场效应管利用VGS来控制半导体表面“感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流ID。

MOSFET是一种电压控制型器件。

MOSFET能够工作的关键是半导体表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。582.VDS对导电沟道的影响(VGS>VT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。VDS=VDSatb.0<VDS<VGS–VT，即VGD=VGS–VDS>VT:导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。VDS>0，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDS>VGS–VT，即VGD<VT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGS–VDSVGSEL

593.N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线1）输出特性曲线(假设VGS=5V)

输出特性曲线非饱和区饱和区击穿区BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹VDSat过渡区线性区(d)VDS:VGD<VTBPN+N+VDSVGSGSDL<<L

VTVGSVGD(b)VDS:

VGD>VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGS

ID=IDSat60当VDS为0或较小时，沟道分布如右图，此时VDS

基本均匀降落在沟道中，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象很不明显，这时沟道可等效为恒定电阻，源漏电流IDS随VDS几乎是线性增加的。(①)（1）非饱和区随着VDS的增加，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象逐步表现出来，漏端处的沟道变窄，沟道电阻增大，使ID随VDS趋势减慢，偏离直线关系。这时沟道相当于可调电阻。(②)（2）饱和区当VDS增加到使漏端沟道截面积减小到零时，称为沟道“夹断”。出现夹断时的VDS称为饱和电压VDSat，与之对应的电流为饱和漏电流IDSat。沟道夹断后，若VDS再增加，增加的漏压主要降落在夹断点到漏之间的高阻区，此时，漏电流基本不随漏电压增加，因此称为饱和区。随着VDS的增大，夹断点逐步向源端移动，有效沟道长度将会变小，其结果将使IDS略有增加，这是沟道长度调制效应。（3）击穿区饱和区后，VDS继续增大到一定程度时，晶体管将进入击穿区，在该区，随VDS的增加IDS迅速增大，直至引起漏-衬底PN结击穿。1.MOSFET输出特性曲线1.输出特性曲线：将不同VGS下的IDS～VDS曲线组合成曲线族如图所示，分成四个区Ⅰ区：非饱和区，VDS＜VDSAT,又称线性区→可调电阻区；Ⅱ区：饱和区，VDSAT＜

VDS＜

BVDS,漏端沟道被夹断，IDS=IDSAT;Ⅲ区：截止区（亚阈区），半导体表面无反型沟道，IDS为PN结反向电流；Ⅳ区：雪崩击穿区，DB结雪崩击穿,IDS↑↑。VT

VGS/VID/mAO2）转移特性曲线(假设VDS=5V)

a.VGS<VT

器件内不存在导电沟道，器件处于截止状态，没有输出电流。

b.VGS>VT

器件内存在导电沟道，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟道导电能力越强，输出电流越大转移特性曲线654.N沟道耗尽型MOS场效应管BPGN+N+SDSiO2

++++++1）N沟道耗尽型MOS场效应管结构1、结构2、符号SGDB66ID/mAVGS/VOVP(b)转移特性IDSS(a)输出特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为