半導體器件物理最新版ppt課件

.,第6章MOSFET及相關器件,6.1MOS二極管6.2MOSFET基本原理6.3MOSFET按比例縮小6.4CMOS與雙極型CMOS6.5絕緣層上MOSFET6.6MOS存儲器結構,.,相關主題,MOS二極管的VT與反型條件MOSFET基本特性按比例縮小理論與短溝道效應的關系低功耗CMOS邏輯MOS存儲器結構,.,基本FET結構,.,6.1MOS二極管,MOS二極管是MOSFET器件的樞紐；在IC中，亦作為一儲存電容器；CCD器件的基本組成部分。,.,6.1.1理想MOS二極管,理想P型半導體MOS二極管的能帶圖：功函數（金屬的m和半導體的s）電子親和力理想MOS二極管定義：零偏壓時，功函數差ms為零；任意偏壓下，二極管中的電荷僅位于半導體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等，極性相反；直流偏壓下，無載流子通過氧化層。,.,MOS二極管中三個分離系統(tǒng)的能帶圖,.,半導體表面三種狀態(tài),隨金屬與半導體所加的電壓VG而變化，半導體表面出現三種狀態(tài)：基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。以P型為例，當一負電壓施加于金屬上，在氧化層與半導體的界面處產生空穴堆積，積累現象。外加一小量正電壓，靠近半導體表面的能帶將向下彎曲，使多數載流子（空穴）形成耗盡耗盡現象。外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴重，使表面的Ei越過EF,當電子濃度遠大于空穴濃度時反型現象。,.,三種狀態(tài),.,由p型半導體構成的MOS結構在各種VG下的表面勢和空間電荷分布：,.,表面電勢s：ss0空穴耗盡；s=B禁帶中心，ns=np=ni；sB反型（s2B時，強反型）；強反型時，表面耗盡區(qū)的寬度達到最大值：Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm,.,理想MOS二極管的C-V曲線,V=Vo+s,C=CoCj/(Co+Cj),強反型剛發(fā)生時的金屬平行板電壓閾值電壓,一旦當強反型發(fā)生時，總電容保持在最小值Cmin。,.,理想MOS二極管的C-V曲線,理想情況下的閾值電壓：,強反型發(fā)生時，Cmin：,.,6.1.2實際MOS二極管,金屬-SiO2-Si為廣泛研究，但其功函數差一般不為零，且在氧化層內部或SiO2-Si界面處存在的不同電荷，將以各種方式影響理想MOS的特性。,.,一、功函數差,鋁：qm=4.1ev；高摻雜多晶硅：n+與p+多晶硅的功函數分別為4.05ev和5.05ev；隨著電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，ms發(fā)生很大變化；為達到理想平帶狀態(tài)，需外加一相當于功函數的電壓，此電壓成為平帶電壓（VFB）。,.,金屬與半導體功函數差對MOS結構C-V特性的影響,曲線（1）為理想MIS結構的C-V曲線曲線（2）為金屬與半導體有功函數差時的C-V曲線,.,二、界面陷阱與氧化層電荷,主要四種電荷類型：界面陷阱電荷、氧化層固定電荷、氧化層陷阱電荷和可動離子電荷。,.,實際MOS二極管的C-V曲線,平帶電壓：,實際MOS二極管的閾值電壓：,.,6.1.3CCD器件,三相電荷耦合器件的剖面圖,.,6.2MOSFET基本原理,MOSFET的縮寫：IGFET、MISFET、MOST。,1960年，第一個MOSFET首次制成，采用熱氧化硅襯底，溝道長度25um，柵氧化層厚度100nm（Kahng及Atalla）。,2001年，溝道長度為15nm的超小型MOSFET制造出來。,.,NMOS晶體管基本結構與電路符號,.,PMOS晶體管基本結構與電路符號,.,工作方式線性區(qū),6.2.1基本特性,.,工作方式飽和區(qū),.,過飽和,.,推導基本MOSFET特性,理想電流電壓特性基于如下假設,1柵極結構理想；2僅考慮漂移電流；3反型層中載流子遷移率為固定值；4溝道內雜質濃度為均勻分布；5反向漏電流可忽略；6溝道內橫向電場縱向電場7緩變溝道近似。,.,推導基本MOSFET特性,簡要過程：,1點y處的每單位面積感應電荷Qs（y）；2點y處反型層里的每單位面積電荷量Qn（y）；3溝道中y處的電導率；4溝道電導；5dy片段的溝道電阻、電壓降；6由源極（y=0,V=0）積分至漏極(y=L,V=VD)得ID。,.,溝道放大圖（線性區(qū)）,.,理想MOSFET的電流電壓方程式：,線性區(qū)：,截止區(qū)：ID0VGVT,.,長溝MOSFET的輸出特性,.,飽和區(qū)：,.,轉移特性曲線,提取閾值電壓研究亞閾特性,.,舉例：對一n型溝道n型多晶硅-SiO2-Si的MOSFET，其柵極氧化層厚度為8nm，NA=1017cm-3，VG=3V，計算飽和電壓。,解：Co=ox/d=4.3210-7F/cm2,.,亞閾值區(qū),當柵極電壓小于閾值電壓，且半導體表面弱反型時，-亞閾值電流；在亞閾值區(qū)內，漏極電流由擴散主導；在亞閾值區(qū)內，漏極電流與VG呈指數式關系；亞閾值擺幅：（lgID）/VG-1。,.,亞0.1微米MOSFET器件的發(fā)展趨勢,.,6.2.2MOSFET種類,N溝增強型N溝耗盡型P溝增強型P溝耗盡型,轉移特性輸出特性,.,6.2.3閾值電壓控制,閾值電壓可通過將離子注入溝道區(qū)來調整；通過改變氧化層厚度來控制閾值電壓，隨著氧化層厚度的增加，VTN變得更大些，VTP變得更小些；加襯底偏壓；選擇適當的柵極材料來調整功函數差。,.,6.2.4MOSFET的最高工作頻率,當柵源間輸入交流信號時，由源極增加（減少）流入的電子流，一部分通過溝道對電容充（放）電，一部分經過溝道流向漏極，形成漏極電流的增量。當變化的電流全部用于對溝道電容充（放）電時，MOS管就失去放大能力。最高工作頻率定義為：對柵輸入電容的充（放）電電流和漏源交流電流相等時所對應的工作頻率，,.,6.2.5MOSFET的二階效應,1.襯底偏置效應（體效應）2.溝道調制效應3.亞閾值導電,.,MOS管的開啟電壓VT及體效應,體效應系數，VBS0時，0,.,MOS管體效應的Pspice仿真結果,Vb=0.5v,Vb=0v,Vb=-0.5v,Id,Vg,體效應的應用：利用襯底作為MOS管的第3個輸入端利用VT減小用于低壓電源電路設計,.,溝道調制效應,溝道發(fā)生夾斷后，有效溝道長度L實際上是VDS的函數。L/L=VDS，稱為溝道調制系數。,的大小與溝道長度及襯底濃度有關。溝道調制系效應改變了MOS管的I/V特性，進而改變了跨導。輸出阻抗r。約為1/(ID)。,.,MOSFET的溝道調制效應,L,L,.,6.2.6MOSFET的溫度特性,體現在閾值電壓、溝道遷移率與溫度的關系：1.VTT的關系對NMOS：T增加，VTN減?。粚MOS：T增加，VTP增加。,2.T的關系若E1；3.電源所提供的最大電流大于寄生可控硅導通所需要的維持電流IH。,.,Latch-up(閂鎖效應),避免閂鎖效應，工藝上可采取的措施：,使用金摻雜或中子輻照，以降低少數載流子壽命阱結構或高能量注入以形成倒退阱，可以提升基極雜質濃度將器件制作在高摻雜襯底上的低摻雜外延層中采用溝槽隔離結構,.,CMOS開關（傳輸門）,.,BiCMOS,Bi-CMOS工藝是把雙極器件和CMOS器件同時制作在同一芯片上，它綜合了雙極器件高跨導、強負載驅動能力和CMOS器件高集成度、低功耗的優(yōu)點，使其互相取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)點，它給高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的發(fā)展開辟了一條新的道路。,.,6.5絕緣層上MOSFET（SOI）,MOSFET被制作在絕緣襯底上，如果溝道層為非晶或多晶硅時，稱為薄膜晶體管（TFT）；如溝道層為單晶硅，稱為SOI。,氫化非晶硅TFT是大面積LCD以及接觸影像傳感器等電子應用中的重要器件。多晶硅TFT比氫化非晶硅TFT有較高的載流子遷移率和較好的驅動能力。,.,半導體存儲器：揮發(fā)性與非揮發(fā)性存儲器。DRAM、SRAM是揮發(fā)性存儲器；非揮發(fā)性存儲器被廣泛應用在EPROM、EEPROM、flash等IC中,6.6MOS存儲器結構,.,DRAM存儲單元基本結構,.,SRAM存儲單元結構圖,(a)六管NMOS存儲單元；(b)六管CMOS存儲單元,.,SIMOS管的結構和符號,.,EPROM存儲器結構,EPROM的存儲單元采用浮柵雪崩注入MOS管(Floating-gateAvalanche-InjuctionMetal-Oxide-Semiconductor,簡稱FAMOS管)或疊柵注入MOS管(Stacked-gateInjuctionMetal-Oxide-Semiconductor,簡稱SIMOS管)Gf柵周圍都是絕緣的二氧化硅，泄漏電流很小，所以一旦電子注入到浮柵之后，就能保存相當長時間(通常浮柵上的電荷10年才損失30%)。擦除EPROM的方法是將器件放在紫外線下照射約20分鐘，浮柵中的電子獲得足夠能量，從而穿過氧化層回到襯底中，這樣可以使浮柵上的電子消失，MOS管便回到了未編程時的狀態(tài)，從而將編程信息全部擦去。,.,Flotox管的結構和符號,.,E2PROM的存儲單元,.,E2PROM的存儲單元,E2PROM的存儲單元采用浮柵隧道氧化層MOS管(Floating-gateTunnelOxideMOS，簡稱Flotox)。Flotox管也是一個N溝道增強型的MOS管，與SIMOS管相似，它也有兩個柵極控制柵和浮柵，不同的是Flotox管的浮柵與漏極區(qū)(N+)之間有一小塊面積極薄的二氧化硅絕緣層(厚度在210-8m以下)的區(qū)域，稱為隧道區(qū)。當隧道區(qū)的電場強度大到一定程度(107V/cm)時，漏區(qū)和浮柵之間出現導電隧道，電子可以雙向通過，形成電流。E2PROM的編程和擦除都是通過在漏極和控制柵上加一定幅度和極性的電脈沖實現的，雖然已改用電壓信號擦除了，但E2PROM仍然只能工作在它的讀出狀態(tài)，作ROM使用。,.,快閃存儲器存儲單元,(a)疊柵MOS管；(b)存儲單元,.,FlashMemory,快閃存儲器(FlashMemory)是新一代電信號擦除的可編程ROM。它既吸收了EPROM結構簡單、編程可靠的優(yōu)點，又保留了E2PROM用隧道效應擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高。其結構與EPROM中的SIMOS管相似，兩者區(qū)別在于浮柵與襯底間氧化層的厚度不同。在EPROM中氧化層的厚度一般為3040nm，在快閃存儲器中僅為1015nm,而且浮柵和源區(qū)重疊的部分是源區(qū)的橫向擴散形成的，面積極小,因而浮柵-源區(qū)之間的電容很小，當Gc和S之間加電壓時，大部分電壓將降在浮柵-源區(qū)之間的電容上。快閃存儲器的寫入方法