C-V特性-MOS管原理课件

2023/6/4半导体物理与器件西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY张丽第11章MOSFET基础

1.2C-V特性1.3MOS管原理2023/6/41.2C-V特性本节内容理想MOS电容的CV特性氧化层电荷对CV特性影响界面态概念及对CV特性影响2023/6/41.2C-V特性什么是C-V特性MOS电容C`=dQ/dV=Cox与Cs`的串联器件电容定义:相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小2023/6/41.2C-V特性理想MOS电容C-V特性电容-电压特性测试曲线直流电压：决定器件工作点，调整大小使MOS先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态交流电压：幅值比较小，不改变S的状态测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。2023/6/41.2C-V特性堆积状态加直流负栅压，堆积层电荷能够跟得上交流小信号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。2023/6/41.2C-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2023/6/41.2C-V特性耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容CSD`C’相当与Cox与Csd’串联2023/6/41.2C-V特性强反型状态CV特性测量直流偏压加交流信号，VG变化，半导体表面电荷变化由谁来贡献？与交流信号的频率有关。2023/6/41.2C-V特性反型层电荷来源2023/6/4

反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1、P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+漂移）2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。热运动：电子从价带激发到导带，产生自由电子和空穴，（电子热运动挣脱共价键束缚的过程）半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生和复合。栅压正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号频率相关：2023/6/41.2C-V特性强反型状态(低频)加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。中反型：近似认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区2023/6/41.2C-V特性反型状态(高频)加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对C有贡献。总电容？交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？2023/6/41.2C-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2023/6/41.2C-V特性氧化层电荷的影响-----++例图:因为Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电Q`ss使得S表面处于任状态时与无Q`ss相比VG都左移，Q`ss不是栅压的函数，栅压改变不影响Q`ss大小，移量相等。2023/6/41.2C-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界面电荷是栅压的函数：栅压会改变S表面的EF相对位置2023/6/42023/6/41.2C-V特性界面陷阱的影响:本征本征态本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响禁带中央：CV曲线实虚线重和2023/6/42023/6/41.2C-V特性界面陷阱的影响:本征前本征之前：EFi>EF，总有施主态在EFS之上，施主态失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等------+++例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电本征态---2023/6/42023/6/4本征之后：EFi<EF，总有受主态得到电子，界面陷阱带负电，C-V曲线右移，右移量随栅压不等1.2C-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,阈值电压升高++++++___2023/6/41.2C-V特性需掌握内容理想情况CV特性CV特性概念和CV特性测试原理MOS电容在不同半导体表面状态下的特点和公式频率特性高低频情况图形及解释思考：若直流电压变化快，CV曲线如何？非理想CV曲线氧化层电荷对CV特性影响界面态产生、分类及对CV特性影响2023/6/41.3

MOSFET原理

本节内容MOSFET基本结构电流电压关系——概念电流电压关系——推导跨导和沟道电导衬底偏置效应2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET结构4端器件：S：source提供载流子的终端D：drain收集载流子的终端G：gate,起控制（开关）作用B：body，衬底体区，衬底电极黑（灰）色部分可以理解为两种材料界面或空间电荷区，一般书中不画。MOSFET:

Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistor：电压控制电流—>场效应晶体管2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET结构L：沟道长度W：沟道宽度tox

：绝缘层厚度绝缘栅场效应晶体管（InsulatedGate,IGFET）：栅极与其它电极之间是相互绝缘的。金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分类(1)

n沟道MOSFET：NMOSp型衬底，n型沟道，电子导电VDS>0，使电子从源流到漏p沟道MOSFET：PMOSn型衬底，p型沟道，空穴导电VDS<0，使空穴从源流到漏2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分类(2)n沟道增强型MOSFET(E型：Enhancement)零栅压时不存在反型沟道，VTN>0n沟道耗尽型MOSFET(D型：Delption)零栅压时已存在反型沟道，VPN<02023/6/41.3MOSFET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>0由于氧化层中正电荷及功函数差等关系，N型无论怎样掺杂都不能做出耗尽管，这时需要掺些P型杂质思考：氧化层中的正电荷对这四类管子阈值电压的影响2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分类(4)按载流子类型分：

NMOS；PMOS:按导通类型分：增强型；耗尽型：四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型2023/6/41.3MOSFET原理

VGS的作用VT:刚刚产生沟道所需的栅源电压VGSvGS

越大，沟道载流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。2023/6/41.3MOSFET原理

VDS的作用VDS的作用： 形成沟道电流：NMOS(VDS>0)PMOS(VDS<0)对VGS起抵消作用：沟道从源到漏厚度渐场感应结：n型沟道和P型衬底。VDS使沟道上压降从源到漏增加，场感应结反偏压增加，耗尽层增厚，栅上电压不变，反型层厚度渐2023/6/41.3MOSFET原理

IV特性输出特性转移特性共源连接NMOSFET：输入端：GS,输出端：DS偏置特点2023/6/41.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(1)线性区2023/6/41.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(2)非饱和区2023/6/41.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(3)饱和点沟道夹断点X：反型层电荷密度刚好近似=0VGX=VT,VXS=VDS(sat)2023/6/41.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(4)饱和区2023/6/41.3MOSFET原理转移特性曲线n沟道MOSFETp沟道MOSFETVGSVGSVGS

越大，沟道载流子越多，在相同的漏源电压VDS作用下，漏极电流ID越大。反型层形成后，因反型层在G和B间起屏蔽作用，即VGS变，电荷由S和D提供，非衬底。2023/6/41.3MOSFET原理输出特性曲线四个区：（I）线性区：

VGS>VT,VDS<(VGS-VT),可变电阻区

（压控电阻）。（II）饱和区：VGS>VT,VDS>(VGS-VT)，恒流区（压控电流源）。（III）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。（IV）截止区:VGS<VT。2023/6/41.3MOSFET原理输出特性曲线簇n沟增强型n沟耗尽型P沟在第3象限，越负电流越大2023/6/41.3

MOSFET原理

需掌握内容MOSFET基本结构、种类、横截面图、符号图MOSFET基本工作原理电流电压关系——定性物理过程输出特性曲线四个区的划分转移特性曲线三个区的划分2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:结构模型p型衬底、n型沟道MOSFET02023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:基本假设沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的栅氧化层中无电流缓变沟道近似（长沟器件），即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化，EX为常数氧化层中的所有电荷均可等效为Si-SiO2界面处的有效电荷密度QSS`沟道中的载流子迁移率与空间座标无关衬底与源极之间的电压为零忽略SD区体电阻和金属电极间的接触电阻，VDS完全降在沟道上。2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:电中性条件2023/6/4高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量1.3MOSFET原理

I-V特性:表面电荷2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:氧化层电势2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:反型层电荷与电场氧化层电势半导体表面空间电荷区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟道方向的电场反型层单位面积的电荷2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:沟道电流电流密度电流强度漏源电流强度不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:沟道电流漏源电流强度2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:线性区与饱和区2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:影响漏极电流Id的因素为增益因子，或称几何跨导参数影响漏极电流ID大小的因素（1）沟道的宽长比；（2）载流子（电子或空穴）的迁移率μ；（3）栅氧化层电容；（4）开启电压VT；（5）偏置VGS。提高器件ID驱动能力的途径？2023/6/41.3MOSFET原理μ和VT的测试提取方法高场下迁移率随电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型2023/6/41.3MOSFET原理p沟增强型MOSFET的I-V特性注：VDS=-VSDVGS=-VSG,等2023/6/41.3MOSFET原理跨导:模型跨导：VDS一定时，漏电流随VGS变化率。反映了VGS

对ID

的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西(mS)。晶体管增益：是表征FET放大能力的重要参数。2023/6/41.3MOSFET原理跨导:表达式VGS一定时，饱和区跨导>线性区跨导器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？2023/6/41.3MOSFET原理跨导影响因素Ⅰ.VGS较小：β与VGS无关，gms∝VGSⅡ.VGS较大：VGS↑=>表面散射↑=>μ↓=>β↓；gms随VGS↑而↑变缓

Ⅲ.VGS为一较大值：β∝μ∝1/(VGS-VT),gms随VGS↑达到最大IV.VGS很大：gms随VGS↑而↓VGS↑=>表面散射↑=>μ↓=>β↓2023/6/41.3MOSFET原理

跨导影响因素:RS、RD的影响Rs对MOS管跨导影响Rs降低了跨导（晶体管增益），而且Rs越大，降低程度越大Rs=0,VGS`=VGS;Rs不等于0,VGS`=VGS-ID*RS;2023/6/41.3MOSFET原理跨导:提高途径材料参数设计参数工艺参数在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS降低串联电阻RS2023/6/41.3MOSFET原理（沟道电导）漏导:模型沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随漏源电压的变化率表明线性区导通能力（导通电阻）器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？2023/6/41.3MOSFET原理漏导:影响因素RS，RD：SD电极间电阻增加，电导下降增加线性区沟道电导的途径？非饱和区漏导等于饱和区跨导Rs=0,RD=0，VDS`=VDSRs,RD不等于0,VDS`=VDS-ID*(RS+RD)2023/6/41.3

MOSFET原理

需掌握内容电流电压关系—推导理解缓变沟道近似线性区和饱和区IV关系的推导跨导定义、公式和影响因素沟道电导定义、公式和影响因素2023/6/41.3MOSFET原理衬底偏置效应(1)≥0必须反偏或零偏Vsb=Vs-Vb>0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来的电子全跑掉了2023/6/42023/6/41.