微电子概论（第3版）课件2-6-1导电沟道面电荷密度

IntroductiontoMicroelectronicsThirdEdition《微电子概论》（第3版）郝跃贾新章史江一引言MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransisitor早在20世纪30年代就已提出MOS结构的工作原理，比双极晶体管的发明还早10几年。但是受到制造技术的制约迟迟不能转化为应用。直到双极晶体管广泛应用10年以后，随着1960年使用二氧化硅作为栅绝缘层的MOS晶体管问世以来，MOS晶体管及集成电路迅速得到了“飞跃”的发展。引言MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransisitor目前在数字集成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成电路几乎占据了绝对的地位。2.6节以常用的n沟MOS增强型晶体管为例，详细分析MOS晶体管的工作原理。最后在分析MOS晶体管非理想效应的基础上，介绍适用于5纳米工艺节点的现代MOSFET结构。目录1.nMOSFET结构特点2.6.1MOSFET导电沟道的形成2.MOSFET器件沟道调制与阈值电压3.导电沟道的可动电荷面密度1.nMOSFET结构特点“MOS场效应”名称解读在半导体表面覆盖有一层很薄的栅二氧化硅层。栅氧化层上方覆盖有一层金属铝，形成栅电极。这样从上往下，构成一种金属(Metal)—氧化物(Oxide)—半导体(Semiconductor)结构，故称为“MOS”结构。MOSFET就是在栅上加电压，通过电场控制半导体表面感应电荷的方式控制导电沟道。这也是“场效应”名称的来由。1.nMOSFET结构特点MOSFET结构组成特点①控制栅为MOS结构②源、漏掺杂与类型与衬底相反，与沟道相同。③衬底作为一极，MOS器件相当于四端器件。一般情况下，VBS=0，则成为三端器件。④导电沟道位于表面与JFET相比：2.MOSFET器件沟道调制与阈值电压复习：常规金属电容器存储的电荷：Q=CV若C为单位面积极板对应的电容，则Q为金属极板上的面电荷密度。(1)栅压对半导体表面沟道的调制作用（以增强型NMOS为例）对增强型NMOS结构，衬底为P型半导体：①若VG＞0，垂直方向电场使P型半导体表面空穴被排斥表面空穴耗尽②VG↑，使P型半导体内部电子被吸引至表面表面开始反型，成为n型③VG↑↑，足够多电子被吸引至P型半导体表面

P型半导体表面成为强反型，形成电子导电沟道。2.MOSFET器件沟道调制与阈值电压(2)MOS电容结构的阈值电压(Thresholdvoltage)（以增强型NMOS为例）(a)表面强反型形成导电沟道的标志表面反型层中电子浓度已达到与P型衬底多子浓度相等的程度(b)阈值电压VT使表面开始形成可动电荷沟道的栅源电压称为阈值电压2.MOSFET器件沟道调制与阈值电压(2)MOS电容结构的阈值电压(Thresholdvoltage)（以增强型NMOS为例）(c)推论推论一：若栅源电压VGS大于VT，则表面存在导电沟道；如果VGX大于VT，则X处表面存就如果VGX等于VT，则X处表面导电沟道刚好夹断或者说栅与夹断点之间的电压必然为VT。推论二：若衬底不是等电位，记沟道方向为X方向3.导电沟道的可动电荷面密度(1)基本关系式只有VGS大于VT，表面才产生存在导电沟道。根据电容器电荷密度关系，得：MOS结构表面可动面电荷密度为Qn=COX(VG-VT)

提示：按照电容公式，半导体层表面总的面电荷密度为COXVG，包括表面可动面电荷密度以及耗尽层中的固定离化杂质电荷。3.导电沟道的可动电荷面密度Qn=COX(VG-VT)(2)讨论若半导体表面沟道方向（X方向）电位不相等，则