教学PPTMOS场效应管.ppt

第11章 mos场效应管基础,mos电容mos二极管在半导体器件中占有重要地位, 是研究半导体表面特性最有用的器件之一. 是现代ic中最重要器件-mosfet的核心, 实际应用中, mos二极管可作为储存电容器, 是电荷耦合器件(ccd)的基本组成部分. 1960年kahng等应用氧化硅结构制出第1只mosfet. 现在mosfet是大规模集成电路中的核心器件.,1. mos电容-mos二极管 2. mos电容器电压特性 3. mosfet基本原理 4. mosfet按比例缩小,11.1 mos电容-mos二极管,mos电容是mosfet的核心: 由金属/氧化物/半导体组成.,通常si基板接地; v 0正偏压; v0反偏.,偏压,mos二极管基本结构,氧化层厚度,金属or多晶硅,mos电容-mos二极管,外加电压v时, 在电极和衬底间产生静电荷类似于电容.,v,衬底,单位面积电容,单位面积电荷,电场强度,e=v/d,理想mos二极管-能带图,v=0时, 理想p型mos管能带图. qc为电子亲和力, qb=ef-efi,v=0时理想mos二极管能带图,理想 1) 零偏时, 金属功函数qm=半导体功函数qs.,2)任意偏压, mos中电荷仅位于半导体中和金属表面, 且电量相等, 极性相反; 3) 直流偏压下, 无载流子通过氧化层.,能带图-积累,对p型半导体, 金属加负压反偏, sio2/si界面处产生超量空穴, 半导体表面能带向上弯. 理想mos管, 器件内无电流, 半导体内ef维持为常数; 半导体内载流子密度与能级差关系为:,能带向上该处efi-efef接近ev空穴浓度, sio2/半导体界面空穴堆积=积累. 对应电荷分布如图.,能带图-耗尽,正偏较小, 半导体表面能带向下; 增加正偏压, 当ef=efi, 表面多子(空穴)耗尽-耗尽;半导体中单位面积空间电荷qsc=qnaw, w=表面耗尽区宽度,正偏压能带向下,当表面处efief;在sio2/si界面吸引更多少子(电子); 半导体中电子浓度与ef-efi关系为:,正偏能带图及电荷分布,f,e,v,e,c,e,f,e,v,e,c,e,f,e,v,e,efi,c,e,p型,金属加正压正偏,能带图-反型,ef-efi0, 半导体表面电子浓度ni, 而空穴浓度空穴(多子), 表面载流子呈现反型.,v0,ev,efi,ec,ef,xd,ef-efi0较小时, 表面堆积电子较少=弱反型; ef-efi, efec; 当sio2/si界面电子浓度=衬底掺杂时, 产生强反型. 继续ef-efi, 增加的大部分电子qn处于窄反型层(0xxd)中; xd -反型层宽度, 典型值1nm 10nm; 且xdw.,正偏能带图及电荷分布,非平衡能带图-n型*,v电子浓度-反型.,n型,2. 耗尽层宽度,图为p型半导体表面能带图. 衬底内静电势=0, 半导体表面电势 =s(空间电荷区的电势差).电子与空穴浓度为的函数, 表面载流子浓度为:,能带向下弯曲,为正值, 由(7-9)式, 可知,各区间表面电势分为: ss0: 空穴耗尽(能带向下); s=fp: 禁带中心, npni. sfp:反型(能带向下弯曲超过ef).,-反型,耗尽层宽度电势/反型,电势为距离x的函数, 由一维泊松方程,均匀掺杂, 耗尽层内电荷,积分泊松方程, 得表面耗尽区静电势分布,其中表面电势(式7-26) (与单边突变结n+p相同),耗尽层宽度-单边突变结 (式7-29),耗尽层宽度强反型,ys=yfp时, 表面处ef=efi, 表面开始反型; 当表面电子浓度np=na(衬底掺杂浓度)时, 由,ys=2yfp条件称为-阈值反型点; 所加电压为阈值电压.,ys=2yfn,efi-ef,ef-efi,最大耗尽层宽度,qys=2qyfp,xdt,ys=2yfp时, 表面强反型, 表面电荷浓度成指数增, 表面耗尽区宽度达到最大. 因此, 表面耗尽区的最大宽度xdt,其中,掺杂浓度越高, 耗尽层宽度越小.,例*,一掺杂浓度na=1016cm-3的理想mos二极管, 计算其表面耗尽层的最大宽度.掺杂浓度na=1017cm-3时, 重新计算耗尽层的最大宽度(t=300k),=0.347v,耗尽层最大宽度:,=0.3mm,解:, na=1016cm-3时, na=1017cm-3时,=0.409v,耗尽层最大宽度:,=0.1mm,3. 功函数差*,独立状态下, 所有能带均保持水平-平带状况. 三者结合在一起, 热平衡状态下, 费米能级为定值, 真空能级连续, 为调节功函数差, 半导体能带需向下弯曲, 如图,fm修正金属功函数:从金属向sio2导带注入电子所需能量.,c-修正半导体电子亲和能,vox0-零删压时sio2上的电势差.,fs0-表面势.,热平衡时,半导体表面为负电荷, 金属含正电荷.,功函数差,由热平衡下mos的能带图,=fms,金属-半导体功函数,功函数差,应用中常用简并掺杂多晶硅作栅极.图(a),(b)分别为n+和p+多晶硅作栅极时的零删压能带图.其金属-半导体功函数分别为:,n+多晶硅:,p+多晶硅:,4.平带电压,平带电压: 使半导体内没有能带弯曲所需加上的栅压.为达到理想平带状况, 需外加一相当于功函数差qms的电压.,平带时mos能带图,前面讨论中假设sio2中净电荷密度=0.,实际上mos二极管受氧化层内电荷及sio2-si界面陷阱的影响.陷阱电荷包括界面陷阱电荷/氧化层固定电荷/氧化层陷阱电荷及可动离子电荷.,界面陷阱电荷qit由sio2-si界面特性造成, 与界面处化学键有关, 而其能量位于硅的禁带中. 界面陷阱密度与晶体方向有关. 方向, 界面陷阱密度约比方向少1个数量级.,陷阱电荷*,氧化层固定电荷qf位于距离界面3nm处. 此电荷固定不动, 即使表面电势有较大变化仍不会有充放电现象. 一般qf为正值,与氧化/退火等条件及硅晶体方向有关. 一般认为氧化停止时,一些离子化的硅留在界面处, 这些离子与表面未完全成键的硅结合(如si-si或si-o键), 可能导致正的界面电荷qf产生.,qf可视为是sio2-si界面处的电荷层. 对精心处理的sio2-si界面, 其氧化层固定电荷量在方向约为1010cm-2; 而在方向约为51010cm-2.由于方向具有较低的qit与qf常用硅基mosfet.,陷阱电荷*,氧化层陷阱电荷qot随二氧化硅的缺陷产生, 这些电荷可由如x光辐射或高能电子轰击产生. 这些陷阱分布于氧化层内部, 大部分与工艺有关, 可低温退火加以去除,钠或其他碱金属离子的可动离子电荷qm, 在高温(如100)或强电场条件下, 可在氧化层内移动.,在高偏压及高温环境下, 碱金属离子的污染, 会降低半导体器件的稳定度. 其离子可在氧化层内来回移动, 使得c-v曲线沿电压轴产生位移. 因此, 在器件制作过程中需消除可动离子电荷.,陷阱电荷*,单位面积电荷数qss: 假设单位面积等价陷阱电荷qss位于sio2层中且与sio2-si界面附近(忽略其他类型的电荷).,下面将估算上述电荷对平带电压所产生的影响.,vg=0(零删压)时电荷与电场分布,图示为零删压时mos中电荷与电场分布. sio2层中的正电荷在金属与半导体内感应一些负电荷. 对泊松方程式做一次积分, 可得到电场的分布情形, 如下图所示. 此处假设没有功函数差, 即qms=0,零删压时: vox0+fs0=-fms,平带电压,为达到平带状态(即半导体内无感应电荷), 须在金属上加负电压. 负电压增加时,金属获得更多的负电荷, 电场向下偏移, 直到半导体表面的电场为零.此时半导体表面净电荷=0.,若加删压vg,氧化层的电势差和半导体表面势将发生变化,qm+qss=0,设单位面积删氧化层电容为cox ,vox=qm/cox,平带时, 表面势fs=0 ,vg=vfb=fms-qss/cox,平带电压*,d: 氧化层厚度; x0:陷阱电荷距金属表面的距离.,平带时, 半导体内无感应净电荷, 电场分布在金属表面至陷阱电荷的sio2层中, 其面积即为平带电压vfb:,可见vfb与陷阱电荷密度qss及在氧化层中的位置xo有关. 当陷阱电荷非常靠近金属,时,即xo=0, 将无法在si中感应出电荷, 不会对vfb造成影响. 反之, 陷阱电荷非常靠近半导体时, 即xo=d, 将对vfb产生最大影响力, 并将平带电压提升为:,5. 阈值电压,阈值电压是mosfet最重要的参数之一, 定义为达到阈值反型点时所需的删压.它反映了在表面势fs=2ffp(p型)或fs=2ffn(n型)时器件的状态.,处于阈值反型点时的电荷分布,qsd(max)=enaxdt,考虑电荷守恒 ,qmt:阈值点时金属栅上单位面积电荷密度; qsd(max):最大耗尽层单位面积空间电荷密度;,fs,加正偏栅压时mos能带图,加删压, 氧化层的电势差和半导体表面势将发生变化,s,ox,g,v,v,f,d,+,d,=,加阈值电压vt时, 表面势fs=2ffp,voxt:阈值反型点时栅sio2上电压.,阈值电压,voxt与金属上电荷qmt及栅氧化层电容cox的关系为:,voxt=qmt/cox,cox:单位面积栅氧化层电容.,阈值电压:,利用平带电压表示式:,可见, 阈值电压与半导体掺杂浓度/栅氧化层电荷/栅氧化层厚度有关.除此之外, 衬底偏压同样影响阈值电压.,阈值电压*,精确控制集成电路中mosfet的阈值电压, 对电路而言不可或缺. 一般来说, 阈值电压可通过将离子注入沟道区加以调整.,如:穿过表面氧化层的硼离子注入通常用来调整n沟道mosfet的阈值电压.通过精确控制杂质的数量,严格控制阈值电压. 带负电的硼受主增加沟道内掺杂的水平, 因此vt随之增加. 同样将少量硼注入p沟道mosfet, 可降低vt的绝对值.右图为不同掺杂浓度的vt.,也可通过改变氧化层厚度来控制vt. 随氧化层厚度的增加, n沟道mosfet的阈值电压变大, 而p沟道mosfet将变小. 对一固定栅极电压而言, 较厚的氧化层可轻易地降低电场强度.,功函数差和衬底偏压也可用来调整阈值电压. 随衬底电压增, 阈值电压增.,4. 电荷分布*,若栅氧化层界面处反型层电子浓度:ns=(ni2/na)exp(fs/vi); 掺杂浓度: na=1*1016cm-3; 阈值反型点表面势: fs=2ffp=0.695v. 栅氧化层界面处电子浓度:ns=1*1016cm-3,强反型电荷密度与表面势关系,强反型后,很小的f s变化, 使表面电子浓度变化很大耗尽层几乎不变.,表面电子密度(堆积和反型)与表面势关系,11.2 mos电容-电压特性,mos电容是mosfet的核心. 从其电容-电压(c-v)特性关系可得到器件的大量信息. 器件电容定义为: c=dq/dv,对没有功函数差的mos结构,外加偏压降在氧化物和半导体上.,其中,mos的c-v特性,e0=氧化层中电场; qs=半导体中单位面积电荷量; c0=eox/t=单位面积氧化层电容.,e(x),电荷分布,电场分布,电势分布,1. 理想c-v特性,mos电容3种状态: 堆积/耗尽/反型.(假设无陷阱电荷), 堆积状态: 负偏压, 半导体表面堆积空穴q. dvdq; 外加偏压全降在氧化物上, mos单位面积电容=栅氧化层电容. cox=eox/tox,氧化层厚度,氧化层介电常数, 耗尽状态,施加小正偏压产生耗尽层; 电压降在氧化物和耗尽层上, mos二极管的总电容c由氧化层电容c0与半导体中的势垒电容cs串联而成.,dvdqxd; 总串联电容,耗尽状态,其中,vxdc,总电容,反型状态,在阈值反型点, 耗尽层达到最大, 此时电容最小,mos电容电压的微小变化强反型层电荷密度的变化(耗尽层宽度基本不变) 此时电容=栅氧化层电容,mos电容的c-v特性,p衬底mos电容的c-v特性,阈值反型点,平带时,mos电容器理想低频电容和栅压的关系.,平带发生在堆积和耗尽之间,平带电容为:,上述各电容,一般均为pf量级.,2. 频率特性,反型模式下p型衬底mos电容电荷分布示意如图. 电容电压的微小变化反型层电荷密度变化. 反型层电荷电子的来源: p型中少子电子的扩散; 耗尽层中的热运动形成的电子-空穴对. 高频时, 只有金属和空间电荷区内电荷变化, 反型层中的电荷不能响应电容电压的微小变化.,高频时: c=cmin,频率特性,当测量频率足够低时, 使表面耗尽区内的产生-复合率与电压变化率相当或更快时, 电子浓度(少子)与反型层中的电荷可以跟随交流的信号变化而变化. 因此导致强反型时的电容只有氧化层电容co. 右图为在不同频率下测得的mos的c-v曲线, 注意低频的曲线发生在100hz时.,3.氧化层电荷与界面电荷效应*,在平带电压部分已讨论过相关电荷统称为陷阱电荷.,当存在氧化层电荷时(不考虑界面电荷), 平带电压可表示为:,qss:固定氧化层电荷; fms: 金属-半导体功函数差.,由于qss不是栅压的函数, 不同的栅氧化层电荷将表现为c-v曲线的平移.,对于给定的mos结构,fms与cox是已知的可求出理想平带电压. 从测得的c-v特性曲线可得到平带电压的实验值得到固定氧化层电荷.,界面电荷效应*,在势垒二极管中已讨论过界面态.,受主型界面态:空能级时为电中性, 接受电子后带负电, 称为受主型界面态; 施主型界面态: 能级被电子占据时呈电中性, 释放电子后呈正电性, 则称为施主型界面态;,由于表面态是否被占据与费米能级有关界面电荷与栅压有关.,图示为积累模式的能带图, 施主型界面态存在净的正电荷.,若改变删压, 使能带图成图b的形式, 界面处ef=efi所有界面态均呈电中性这种偏置状态为禁带中央.,界面电荷效应*,反型模式,cfb,同样改变删压, 使能带图成图c的形式时, 界面处efefi受主型界面态存在净的负电荷.,对p衬底mos电容, 由于栅氧化层电荷的存在,使c-v曲线向负栅压方向移动. 由于界面态电荷的存在, c-v曲线不仅会产生偏移, 而且会变的平滑.,通过测量mos的c-v特性判别器件的界面态密度等.,11.3 mosfet基本工作原理,增强型: n沟道/ p沟道; 耗尽型: n沟道/ p沟道;,1. 基本结构,分类,3个电极: 高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅; 第4点为连接衬底的欧姆接触. 基本器件参数: 沟道长度l(两n+p冶金结间距), 沟道宽度z, 氧化层厚度d, 结深rj及衬底掺杂浓度na. 器件中央部分即为mos二极管.,2. 基本工作原理, 加vgsvt(阈值电压)和较小的vds没有形成电子反型层(导电沟道), 漏极到衬底的pn结反偏 id=0., 加vgsvt(阈值电压)和较小的vds 形成电子反型层(导电沟道), 电流从漏极流向源极 id0. 此时沟道作用如同电阻, 电流id与vds成比例, 如图恒定电阻所示的线性区,基本工作原理,vds较小时, 沟道表现为电阻特性,id=gdvds,沟道电导,mn反型层中电子迁移率; qn单位面积反型层电荷量.,由器件结构参数,可得,由于qn为栅压的函数gd为栅压的函数id为栅压的函数.,对于较小的vds, vgsvt后, 随vgs增加, 斜率增大.,基本工作原理,基本工作原理,沟道夹断后, 若vg不变, vds持续增, 超过夹断电压的部分降落夹断区上, 夹断区随vds增大而展宽, 夹断点向内移动, 反型层内电场增而反型载流子数减, 二者共同作用的结果是单位时间流过的载流子数(即电流)不变; 载流子漂移到夹断点, 立即被夹断区的强电场扫入d区, 形成漏源电流, 该电流不随vds的增大而变化, 即达到饱和.,强反型时, d-s电流通过沟道时在其上产生压降, 即沟道压降=vds 绝缘层上的有效压降从s到d端逐渐减小反型层厚度不等, 沟道中各处电子浓度不等; vd持续增加到d端的有效压降低于表面强反型所需的阈值电压vt时, 靠近d处的反型层厚度0, 此处称为夹断点, 如图.,电流电压特性*,非饱和区理想的电流-电压关系,饱和区,3. 小信号跨导,定义:相对于栅压的漏电流变化.,由式(11.58), 在非饱和区, 可得,由式(11.59), 在饱和区, 可得,小信号导纳*,定义:,由前面的式子, 在非饱和区, 可得,线性区的电阻, 称为导通电阻, 可用下式表示,4. 衬底偏置效应,vsb=0时, 有,vsb0时, 空间电荷区增, 有,衬底偏置效应,空间电荷密度变化量,阈值电压将增加, 其增量,11.4 频率特性,1. 小信号等效电路,n沟道mosfet的固有电阻和电容.,g-d附近沟道电荷的相互作用,g-s附近沟道电荷的相互作用,g-d交叠电容,g-s交叠电容,源极电阻,漏极电阻,漏-衬底结电容,g-s间电压控制沟道电流,1. 小信号等效电路,共源n沟道小信号等效电路,内部g-s间电压控制沟道电流,总栅-漏电容,总栅-源电容,id-vds动态电阻,简化低频小信号等效电路,rds数值通常较大, rdsrd时, 可认为rds开路;等效电路简化为:,2. 频率限制因素与截止频率,频率限制因素1: 沟道输运时间很短不是mosfet频率响应限制的主要因素.,频率限制因素2:栅电极电容充放电时间, 等效电路如图.,输入电流,输出d端电流和,连立消去vd,频率限制因素与截止频率,通常wrlcgdt1, 上式简化为,截止频率ft定义为电流增益=1时的频率, 即ii=id时的频