教学PPT MOS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 1mos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 v 0 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 q b 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q m 半导体功函数q s 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 ef ef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efi ef 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 efi 0 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 v 0 ev efi ec ef xd ef efi 0较小时 表面堆积电子较少 弱反型 ef efi ef ec 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 0 x xd 中 xd 反型层宽度 典型值1nm 10nm 且xd w 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 s s 0 空穴耗尽 能带向下 s fp 禁带中心 np ni s fp 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 f m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q ms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5 1010cm 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q ss 假设单位面积等价陷阱电荷q ss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q ms 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 q m q ss 0 设单位面积删氧化层电容为cox vox q m cox 平带时 表面势fs 0 vg vfb fms q ss 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 q sd max enaxdt 考虑电荷守恒 q mt 阈值点时金属栅上单位面积电荷密度 q sd 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q mt及栅氧化层电容cox的关系为 voxt q mt 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fs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 2mos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 dv dq 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 dv dq xd 总串联电容 耗尽状态 其中 v xd c 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 c min 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 q ss 固定氧化层电荷 fms 金属 半导体功函数差 由于q ss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ef efi 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 3mosfet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vgs vt 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vgs vt 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 id 0 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 q n 单位面积反型层电荷量 由器件结构参数 可得 由于q n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 vsb 0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 rds rd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wrlcgdt 1 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时的频率