第6章 MOSFET及相关器件02

第6章MOSFET及相关器件半导体器件物理SemiconductorPhysicsandDevices第6章MOSFET及相关器件1金属-SiO2-Si被广泛研究。SiO2-Si系统电特性近似于理想MOS二极管。但一般qms≠0，且在氧化层内或SiO2-Si界面处存在不同电荷，将以各种方式影响理想MOS特性。一、功函数差对于一有固定qm的金属，其与半导体功函数qs的差qms=q(m-s)会随半导体掺杂浓度而改变，如右图。随电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，ms可能会有超过2V的变化。6.1.2SiO2-SiMOS二极管第6章MOSFET及相关器件2考虑一在独立金属与独立半导体间的氧化层夹心结构，如图(a)。独立状态下，所有能带均保持水平，即平带状况。当三者结合，热平衡状态下，费米能级必为定值，且真空能级必为连续，为调节功函数差，半导体能带需向下弯曲，如图(b)。热平衡，金属含正电荷，而半导体表面为负电荷。为达到平带状况，需外加一相当于功函数差qms的电压，对应图(a)；此处在金属外加的负电压VFB=ms，称为平带电压。第6章MOSFET及相关器件3MOSFET有许多种缩写形式，如IGFET、MISFET、MOST等。n沟道MOSFET的透视图如图所示，四端点器件。氧化层上方金属为栅极，高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅可作栅极，第四个端点为一连接至衬底的欧姆接触。基本的器件参数：沟道长度L（为两个n+-p冶金结之间的距离）、沟道宽度Z、氧化层厚度d、结深度rj以及衬底掺杂浓度NA。6.2MOSFET基本原理2SiOL+n+njrZdp衬底z)(yEy)(xEx源极栅极漏极2SiOL+n+njrZdp衬底衬底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源极栅极漏极器件中央部分即为MOS二极管第6章MOSFET及相关器件4MOSFET中源极为电压参考点。当栅极无外加偏压时，源、漏电极间可视为两个背对背相接的p-n结，而由源极流向漏极的电流只有反向漏电流。6.2.1基本特性外加一足够大正电压于栅极，MOS结构将被反型，两个n+区间形成表面反型层（沟道）。源、漏极通过这一n型沟道连接，允许大电流流过。沟道电导可通过栅极电压来调节。衬底可连接至参考电压或相对于源极的反向偏压，衬底偏压亦会影响沟道电导。2SiOL+n+njrZdp衬底z)(yEy)(xEx源极栅极漏极2SiOL+n+njrZdp衬底衬底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源极栅极漏极第6章MOSFET及相关器件5当栅极上施加一偏压，并在半导体表面产生强反型。若在漏极加一小量电压，电子将会由源极经沟道流向漏极（电流流向相反）。因此，沟道的作用就如同电阻一般，漏极电流ID与漏极电压成比例，如图(a)右侧直线所示的线性区。线性区与饱和区第6章MOSFET及相关器件6半导体表面强反型形成导电沟道时，沟道呈电阻特性，当漏-源电流通过沟道电阻时将在其上产生电压降。忽略其它电阻，漏端相当于源端的沟道电压降就等于VDS。沟道存在压降，栅绝缘层上有效压降从源端到漏端逐渐减小。当漏极电压持续增加，直到达到VDsat，靠近y=L处的反型层厚度xi→0，此处称为夹断点P，如图(b)。VDsat称为饱和电压。第6章MOSFET及相关器件7沟道被夹断后，若VG不变，则当VDS持续增加时，VDS-VDsat降落在漏端附近的夹断区，夹断区随VDS的增大而展宽，夹断点P随之向源端移动。P点电压保持VDsat，反型层内电场增强而反型载流子数减少，二者共同作用的结果是单位时间流到P点的载流子数即电流不变。载流子漂移到P点，被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏源电流，该电流不随VDS变化（达到饱和）。此为饱和区，如图(c)。VDS过大，漏端p-n结会发生反向击穿。第6章MOSFET及相关器件8类型剖面图输出特性转移特性)(n常闭沟增强型)(n常开沟耗尽型)(p常闭沟增强型)(p常开沟耗尽型+G+n+np+DDI沟道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-沟道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI类型剖面图输出特性转移特性)(n常闭沟增强型)(n常开沟耗尽型)(p常闭沟增强型)(p常开沟耗尽型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI沟道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-沟道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-沟道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0TnVDITpV0GVDI+-TpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+0TnVDIGV-+