半導(dǎo)體器件之MOS

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)1雙端ＭＯＳ結(jié)構(gòu)電容－電壓特性ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理頻率限制特性ＣＭＯＳ技術(shù)雙端MOS結(jié)構(gòu)能帶圖耗盡層厚度功函數(shù)差平帶電壓閾值電壓電荷分布3MOS

MOS結(jié)構(gòu)氧化層厚度氧化層介電常數(shù)Al或高摻雜的多晶Sin型Si或p型SiSiO24MOS結(jié)構(gòu)具有Q隨V變化的電容效應(yīng)，形成MOS電容實(shí)際的鋁線-氧化層-半導(dǎo)體

（M:約10000AO:250AS:約0.5~1mm）5MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(1)負(fù)柵壓情形導(dǎo)帶底能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)6負(fù)柵壓：多子的積累，體內(nèi)多子順電場(chǎng)方向被吸引到S表面，

能帶變化：空穴在表面堆積，能帶上彎MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(2)小的正柵壓情形(耗盡層)7小的正柵壓：多子耗盡，表面留下帶負(fù)電的受主離子，不可動(dòng)，且由半導(dǎo)體濃度的限制，形成負(fù)的空間電荷區(qū)。能帶變化：P襯表面正空穴耗盡，濃度下降，能帶下彎，8大的正柵壓情形(反型層+耗盡層)MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(2)大的正柵壓：能帶下彎程度↑，表面Efi到EF下，表面具n型。P襯表面Na-面電荷密度↑，同時(shí)P襯體內(nèi)的電子被吸引到表面，表面出現(xiàn)電子積累，反型層形成。注意：柵壓↑反型層電荷數(shù)增加，反型層電導(dǎo)受柵壓調(diào)制。閾值反型后，xd↑最大值XdT不再擴(kuò)展。MOS電容

表面能帶圖:n型襯底(1)正柵壓情形9MOS電容

表面能帶圖:n型襯底(2)小的負(fù)柵壓情形大的負(fù)柵壓情形(耗盡層)n型(反型層+耗盡層)n型10MOS電容

空間電荷區(qū)厚度:表面耗盡情形費(fèi)米勢(shì)表面勢(shì)表面空間電荷區(qū)厚度半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)與禁帶中心能級(jí)之差的電勢(shì)表示采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似P型襯底11耗盡層形成：正柵壓，P襯表面多子空穴耗盡，留下固定不動(dòng)的Na-，由半導(dǎo)體濃度的限制，分布在S表面一定厚度內(nèi)，負(fù)的空間電荷區(qū)MOS電容

空間電荷區(qū)厚度:表面反型情形閾值反型點(diǎn)條件：表面處的電子濃度=體內(nèi)的空穴濃度表面空間電荷區(qū)厚度P型襯底表面電子濃度：體內(nèi)空穴濃度：柵電壓=閾值電壓表面空間電荷區(qū)厚度達(dá)到最大值12n型反型層和p型襯底之間的結(jié)近似為n＋p單邊突變結(jié)MOS電容

空間電荷區(qū)厚度:n型襯底情形閾值反型點(diǎn)條件：表面勢(shì)=費(fèi)米勢(shì)的2倍，表面處的空穴濃度=體內(nèi)的電子濃度，柵電壓=閾值電壓表面空間電荷區(qū)厚度表面勢(shì)n型襯底13MOS電容

空間電荷區(qū)厚度:與摻雜濃度的關(guān)系實(shí)際器件參數(shù)區(qū)間1415MOS電容

表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系1611.1MOS電容

功函數(shù)差:MOS接觸前的能帶圖金屬的功函數(shù)金屬的費(fèi)米能級(jí)二氧化硅的禁帶寬度二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能絕緣體不允許電荷在金屬和半導(dǎo)體之間進(jìn)行交換，功函數(shù)：起始能量等于EF的電子，由材料內(nèi)部逸出體外到真空所需最小能量。11.1MOS電容

功函數(shù)差:MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖條件：零柵壓，熱平衡零柵壓下氧化物二側(cè)的電勢(shì)差修正的金屬功函數(shù)零柵壓下半導(dǎo)體的表面勢(shì)修正的硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能18接觸之后能帶圖的變化：1）MOS成為統(tǒng)一系統(tǒng)，0柵壓下熱平衡狀態(tài)有統(tǒng)一的EF。2）SiO2的能帶傾斜：3）半導(dǎo)體一側(cè)能帶彎曲：11.1MOS電容

功函數(shù)差:計(jì)算公式內(nèi)建電勢(shì)差：功函數(shù)差19功函數(shù)差使二者能帶發(fā)生彎曲，彎曲量之和是金屬半導(dǎo)體的功函數(shù)差。11.1MOS電容

功函數(shù)差:n＋摻雜多晶硅柵(P-Si)<0近似相等n+摻雜至簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并：degenerate退化，衰退2011.1MOS電容

功函數(shù)差:p＋摻雜多晶硅柵(P-Si)p+摻雜至簡(jiǎn)并≥02111.1MOS電容

功函數(shù)差:與摻雜濃度的關(guān)系2211.1MOS電容

平帶電壓:定義MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面能帶彎曲的動(dòng)因金屬與半導(dǎo)體之間加有電壓（柵壓）半導(dǎo)體與金屬之間存在功函數(shù)差氧化層中存在凈的空間電荷平帶電壓定義：使半導(dǎo)體表面能帶無(wú)彎曲需施加的柵電壓來(lái)源：金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差，氧化層中的凈空間電荷23單位面積電荷數(shù)金屬上的電荷密度2411.1MOS電容

平帶電壓:定義11.1MOS電容

平帶電壓:公式Vox0+s0=-

ms零柵壓時(shí)：?jiǎn)挝幻娣e電荷數(shù)金屬上的電荷密度2511.1MOS電容閾值電壓:公式閾值電壓：達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)所需的柵壓表面勢(shì)=費(fèi)米勢(shì)的2倍|QSDmax|=eNaxdTQSDns剛強(qiáng)反型時(shí),Qns?QSD,忽略反型層電荷26影響閾值電壓的主要因素：(1)柵電容Cox。Cox=ε0εox/tox，Cox越大，VT的絕對(duì)值越小。增大柵電容的關(guān)鍵是制作薄而且致密的優(yōu)質(zhì)柵氧化層，也可選用介電常數(shù)更大的材料，如Si3N4，用SiO2/Si3N4的FET稱MNOSFET，用Al2O3/SiO2的FET稱為MAOSFET。(2)襯底雜質(zhì)濃度的影響。費(fèi)米勢(shì)隨襯底雜質(zhì)濃度的的增加而增加，但增加的速度很慢，例如從1015cm-3~1017cm-3，費(fèi)米勢(shì)變化只有0.1V，因此改變襯底雜質(zhì)濃度，費(fèi)米勢(shì)變化不大。表面耗盡層的空間電荷面密度QBM~NB1/2，改變襯底雜質(zhì)濃度可改變閾值電壓的大小，在現(xiàn)代MOS中，以大量采用離子注入技術(shù)，調(diào)整溝道雜質(zhì)濃度，以滿足閾值電壓的大小。(3)氧化層電荷密度QOX的影響。它包括固定電荷（Qf--fixedoxidecharge

）、界面陷阱電荷（Qit--Interfacetrappedcharge

）、可動(dòng)電荷（Qm--Mobileioniccharge

）及氧化層陷阱電荷（Qot--

oxidetrapcharge

）。在一般工藝條件下Qox可達(dá)1011~1012cm-3，在高Qox下，VT是負(fù)值，只能是耗盡型nMOS，要制得增強(qiáng)型nMOS(VT>0)是困難的。11.1MOS電容閾值電壓:與摻雜/氧化層電荷的關(guān)系P型襯底MOS結(jié)構(gòu)Q‘ss越大，則VTN的絕對(duì)值越大；Na越高，則VTN的值（帶符號(hào)）越大Na很小時(shí)，VTN隨Na的變化緩慢，且隨Q’ss的增加而線性增加

Na很大時(shí)，VTN

隨Na

的變化劇烈，且與Q’ss

的相關(guān)性變?nèi)?8VTN=0時(shí)，即不加電壓,已經(jīng)成立11.1MOS電容閾值電壓:導(dǎo)通類型VTN>0MOSFET為增強(qiáng)型VG=0時(shí)未反型，加有正柵壓時(shí)才反型VTN<0MOSFET為耗盡型VG=0時(shí)已反型，加有負(fù)柵壓后才能脫離反型P型襯底MOS結(jié)構(gòu)2911.1MOS電容閾值電壓:n型襯底情形30費(fèi)米勢(shì)表面耗盡層最大厚度單位面積表面耗盡層電荷單位面積柵氧化層電容平帶電壓閾值電壓11.1MOS電容n型襯底與p型襯底的比較p型襯底MOS結(jié)構(gòu)n型襯底MOS結(jié)構(gòu)閾值電壓典型值金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差3111.1MOS電容表面反型層電子密度與表面勢(shì)的關(guān)系3211.1MOS電容表面空間電荷層電荷與表面勢(shì)的關(guān)系堆積平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型3311.2節(jié)內(nèi)容理想情況CV特性頻率特性氧化層電荷及界面態(tài)的影響實(shí)例3411.2C-V特性什么是C-V特性？平帶電容-電壓特性3511.2C-V特性堆積狀態(tài)加負(fù)柵壓，堆積層電荷能夠跟得上柵壓的變化，相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容平帶本征3611.2C-V特性平帶狀態(tài)所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導(dǎo)體表面能帶無(wú)彎曲平帶本征3711.2C-V特性耗盡狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容平帶本征C’相當(dāng)與Cox與Csd’串聯(lián)3811.2C-V特性強(qiáng)反型狀態(tài)(低頻)加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層電荷跟得上柵壓的變化平帶本征3911.2C-V特性n型與p型的比較p型襯底MOS結(jié)構(gòu)n型襯底MOS結(jié)構(gòu)4011.2C-V特性反型狀態(tài)(高頻)加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓變化較快，反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗盡層電容對(duì)C有貢獻(xiàn)。此時(shí)，耗盡層寬度乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。柵壓頻率的影響41小節(jié)內(nèi)容理想情況CV特性CV特性概念堆積平帶耗盡反型下的概念堆積平帶耗盡反型下的計(jì)算頻率特性高低頻情況圖形及解釋4211.2C-V特性氧化層電荷的影響例圖:如果Qss均為正電荷,需要額外犧牲負(fù)電荷來(lái)中和界面的正電,所以平帶電壓更負(fù)-----++4311.2C-V特性界面陷阱的分類被電子占據(jù)（在EFS之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在EFS之上）為中性被電子占據(jù)（在EFS之下）為中性，不被電子占據(jù)（在EFS之上）帶正電（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)電正常情況熱平衡不帶電施主態(tài)容易放出電子帶正電圖11.32氧化層界面處界面態(tài)示意圖44界面態(tài)：半導(dǎo)體界面處允許的能態(tài)11.2C-V特性界面陷阱的影響:堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)：界面陷阱帶正電，C-V曲線左移，平帶電壓更負(fù)例圖:需要額外犧牲三個(gè)負(fù)電荷來(lái)中和界面態(tài)的正電,所以平帶電壓更負(fù)------+++施主態(tài)容易放出電子帶正電45禁帶中央：界面陷阱不帶電，對(duì)C-V曲線無(wú)影響11.2C-V特性界面陷阱的影響:本征狀態(tài)46反型狀態(tài)：界面陷阱帶負(fù)電，C-V曲線右移，閾值電壓更正。11.2C-V特性界面陷阱的影響:反型狀態(tài)例圖:需要額外犧牲三個(gè)正電荷來(lái)中和界面態(tài)的負(fù)電,所以閾值電壓升高_(dá)__++++++受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)電4748小節(jié)內(nèi)容氧化層電荷及界面態(tài)對(duì)C-V曲線的影響氧化層電荷影響及曲線界面態(tài)概念界面態(tài)影響概念曲線實(shí)例如何測(cè)C-V曲線如何看圖解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象4911.3MOSFET基本工作原理MOS結(jié)構(gòu)電流電壓關(guān)系——概念電流電壓關(guān)系——推導(dǎo)跨導(dǎo)襯底偏置效應(yīng)5011.3MOSFET原理

MOSFET結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖BPGN+N+氮氮SDSiO2Ltox1.結(jié)構(gòu)SGDB2.符號(hào)3.基本參數(shù)溝道長(zhǎng)度L(跟工藝水平有關(guān))溝道寬度W柵氧化層厚度tox5111.3MOSFET原理

MOSFET分類(1)n溝道MOSFETp型襯底，n型溝道，電子導(dǎo)電VDS>0，使電子從源流到漏p溝道MOSFETn型襯底，p型溝道，空穴導(dǎo)電VDS<0，使空穴從源流到漏按照導(dǎo)電類型的不同可分為：5211.3MOSFET原理

MOSFET分類(2)n溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTN>0n溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTN<0按照零柵壓時(shí)有無(wú)導(dǎo)電溝道可分為：5311.3MOSFET原理

MOSFET分類(3)p溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP<0p溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTP>054增強(qiáng)型：柵壓為0時(shí)不導(dǎo)通N溝（正電壓開啟“1”導(dǎo)通）P溝（負(fù)電壓開啟“0”導(dǎo)通）耗盡型：柵壓為0時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）5511.3.2N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理1.VGS對(duì)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響(1)

VGS

=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD當(dāng)VGS

逐漸增大時(shí)，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+56(2)VGS

>0逐漸增大柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越大，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。增大VGS

耗盡層變寬。當(dāng)VGS繼續(xù)升高時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型層iD由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2

之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——反型層、N型導(dǎo)電溝道。這時(shí)，在VDS的作用下就會(huì)形成ID。(3)VGS

繼續(xù)增大弱反型強(qiáng)反型VDS57閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓。用VT表示。閾值電壓MOS場(chǎng)效應(yīng)管利用VGS來(lái)控制半導(dǎo)體表面“感應(yīng)電荷”的多少，來(lái)改變溝道電阻，從而控制漏極電流ID。

MOSFET是一種電壓控制型器件。

MOSFET能夠工作的關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道形成。582.VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(VGS>VT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0<VDS<VGS–VT，即VGD=VGS–VDS>VT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形?？拷┒说膶?dǎo)電溝道減薄。VDS>0，但值較小時(shí)：VDS對(duì)溝道影響可忽略，溝道厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDS>VGS–VT，即VGD<VT：夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)VGD=VGS–VDSVGSEL

593.N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線1）輸出特性曲線(假設(shè)VGS=5V)

輸出特性曲線非飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡VDSat過(guò)渡區(qū)線性區(qū)(d)VDS:VGD<VTBPN+N+VDSVGSGSDL<<L

VTVGSVGD(b)VDS:

VGD>VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGS

ID=IDSat60當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，溝道分布如右圖，此時(shí)VDS

基本均勻降落在溝道中，沿溝道方向溝道截面積不相等的現(xiàn)象很不明顯，這時(shí)溝道可等效為恒定電阻，源漏電流IDS隨VDS幾乎是線性增加的。(①)（1）非飽和區(qū)隨著VDS的增加，沿溝道方向溝道截面積不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn)出來(lái)，漏端處的溝道變窄，溝道電阻增大，使ID隨VDS趨勢(shì)減慢，偏離直線關(guān)系。這時(shí)溝道相當(dāng)于可調(diào)電阻。(②)（2）飽和區(qū)當(dāng)VDS增加到使漏端溝道截面積減小到零時(shí)，稱為溝道“夾斷”。出現(xiàn)夾斷時(shí)的VDS稱為飽和電壓VDSat，與之對(duì)應(yīng)的電流為飽和漏電流IDSat。溝道夾斷后，若VDS再增加，增加的漏壓主要降落在夾斷點(diǎn)到漏之間的高阻區(qū)，此時(shí)，漏電流基本不隨漏電壓增加，因此稱為飽和區(qū)。隨著VDS的增大，夾斷點(diǎn)逐步向源端移動(dòng)，有效溝道長(zhǎng)度將會(huì)變小，其結(jié)果將使IDS略有增加，這是溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。（3）擊穿區(qū)飽和區(qū)后，VDS繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，晶體管將進(jìn)入擊穿區(qū)，在該區(qū)，隨VDS的增加IDS迅速增大，直至引起漏-襯底PN結(jié)擊穿。1.MOSFET輸出特性曲線1.輸出特性曲線：將不同VGS下的IDS～VDS曲線組合成曲線族如圖所示，分成四個(gè)區(qū)Ⅰ區(qū)：非飽和區(qū)，VDS＜VDSAT,又稱線性區(qū)→可調(diào)電阻區(qū)；Ⅱ區(qū)：飽和區(qū)，VDSAT＜

VDS＜

BVDS,漏端溝道被夾斷，IDS=IDSAT;Ⅲ區(qū)：截止區(qū)（亞閾區(qū)），半導(dǎo)體表面無(wú)反型溝道，IDS為PN結(jié)反向電流；Ⅳ區(qū)：雪崩擊穿區(qū)，DB結(jié)雪崩擊穿,IDS↑↑。VT

VGS/VID/mAO2）轉(zhuǎn)移特性曲線(假設(shè)VDS=5V)

a.VGS<VT

器件內(nèi)不存在導(dǎo)電溝道，器件處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有輸出電流。

b.VGS>VT

器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，有輸出電流。且VGS越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大轉(zhuǎn)移特性曲線654.N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管BPGN+N+SDSiO2

++++++1）N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、符號(hào)SGDB66ID/mAVGS/VOVP(b)轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)輸出特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為