MOSFET的阈电压课件

MOSFET

的阈电压

定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压（或

开启电压），记为

VT

。

定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了

。在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压产生的横向电场所决定，而与漏极电压产生的纵向电场无关。MOS

结构的阈电压

P

型衬底

MOS

结构的阈电压。上图中，1、理想

MOS

结构（金属与半导体间的功函数差

MS=0，栅氧化层中的电荷面密度

QOX

=0）当

VG

=0

时的能带图称为

P

型衬底的费米势。3、实际

MOS

结构当

VG=

VFB

时的能带图当时，可以使能带恢复为平带状态，这时

S=0，硅表面呈电中性。VFB

称为

平带电压。COX

代表单位面积的栅氧化层电容，，TOX

代表栅氧化层厚度。4、实际

MOS

结构当

VG

=

VT

时的能带图要使表面发生强反型，应使表面处的

EF

-

EiS

=

qFP，这时能带总的弯曲量是

2qFP，表面势为

S

=

S,inv

=

2FP。外加栅电压超过

VFB

的部分（VG

-VFB）称为

有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的

VOX与降在硅表面附近的表面电势

S，即

VG–VFB

=

VOX+S

表面势

S使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是

2qFP，表面势为

2FP，于是可得VT–VFB

=

VOX+2FP

VT

=

VFB+VOX+2FP可得

MOS

结构的阈电压为再将和上式代入

VT

=

VFB+VOX+2FP

中，关于

QA

的进一步推导在以后进行。作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略

Qn。QA

是

S

的函数，在开始强反型时，QA(

S

)=

QA(

2FP

)，故得

1、阈电压一般表达式的导出MOSFET

与

MOS

结构的不同之处是：a)栅与衬底之间的外加电压由

VG

变为(VG-VB)，因此有效栅电压由(VG-VFB)变为(VG-VB-

VFB)。b)有反向电压(VS

-VB

)加在源、漏及反型层的

PN

结上，使强反型开始时的表面势

S,inv

由

2FP

变为(

2FP+

VS-VB)。

5.2.2MOSFET

的阈电压

以下推导

QA

的表达式。对于均匀掺杂的衬底，式中，，称为

体因子。因此

MOSFET

的阈电压一般表达式为称为N

型衬底的费米势。同理，P

沟道

MOSFET

当

VS=0，VB=0时的阈电压为式中，FN

与

FP

可以统一写为

FB，代表

衬底费米势。

2、影响阈电压的因素当

VS

=0，VB

=0

时，N

沟道与

P

沟道

MOSFET

的阈电压可统一写为a)栅氧化层厚度

TOX

一般来说，当

TOX

减薄时，|VT

|是减小的。早期

MOSFET

的

TOX的典型值约为

150

nm

，目前高性能MOSFET

的

TOX可达

10

nm

以下。1015

cm-3时，约为

0.3

V。b)衬底费米势

FB

FB

与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为d)耗尽区电离杂质电荷面密度

QAD由于

FB

与掺杂浓度

N

的关系不大，故可近似地得到e)栅氧化层中的电荷面密度

QOX

调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度

N（例如离子注入）和改变栅氧化层厚度

TOX来实现。~QOX与制造工艺及晶向有关。MOSFET一般采用（100）晶面，并在工艺中注意尽量减小

QOX的引入。在一般工艺条件下，当

TOX

=150

nm

时，对于

N

沟道

MOSFET，

3、衬底偏置效应（体效应）

衬底偏置效应：VT

随

VBS

的变化而变化。当

VS

=0

时，可将源极作为电位参考点，这时

VG

=

VGS

、VD

=

VDS、VB=

VBS。

4、离子注入对阈电压的调整

设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度

R

小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度