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第六章金属 氧化物 半导体场效应晶体管Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面场效应晶体管原理 40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究 1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET MOSFET是大规模集成电路中的主流器件 MOSFET是英文缩写词 其它叫法 绝缘体场效应晶体管 IGFET 金属 绝缘体 半导体场效应晶体管 MISFET 金属 氧化物 半导体晶体管 MOST 等 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 理想MOS结构基于以下假设 1 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷 2 金属和半导体之间的功函数差为零 如绘于图6 2b中的情形 由于假设 1 2 在无偏压时半导体能带是平直的 3 层是良好的绝缘体 能阻挡直流电流流过 因此 即使有外加电压 表面空间电荷区也处于热平衡状态 这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数 这些假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 半导体表面空间电荷区 每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系 6 1 式中 自由空间的电容率 氧化物的相对介电常数 半导体表面的电场 半导体相对介电常数 空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度 外加电压为跨越氧化层的电压和表面势所分摊 6 2 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 图6 3加上电压时MOS结构内的电位分布 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 载流子积累 耗尽和反型载流子积累紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时 称为载流子积累现象 单位面积下的空间电荷 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 图6 4几种偏压情况的能带和电荷分布 a b 小的 c 大的 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 载流子耗尽单位面积下的总电荷为式中为耗尽层宽度 载流子反型 载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象 图6 4几种偏压情况的能带和电荷分布 a b 小的 c 大的 6 6 6 7 6 5 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 6 1 3反型和强反型条件反型条件 强反型条件 式中为出现强反型时的表面势 6 17 6 18 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 图6 5强反型时的能带图 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 总表面空间电荷为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷 6 19 6 20 6 21 6 52 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 小结理想MOS结构基于以下假设 1 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷 2 金属和半导体之间的功函数差为零 如绘于图6 2b中的情形 由于假设 1 2 在无偏压时半导体能带是平直的 3 层是良好的绝缘体 能阻挡直流电流流过 因此 即使有外加电压 表面空间电荷区也处于热平衡状态 这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数 偏压使半导体表面具有表面势 出现表面空间电荷区 空间电荷与电场具有以下关系 6 1 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 小结载流子积累 耗尽和反型的概念 载流子积累 耗尽和反型和强反型四种情况的能带图 体费米势的概念 反型和强反型条件 反型条件 强反型条件 6 8 6 17 6 18 6 1理想MOS结构的表面空间电荷区 教学要求了解理想结构基本假设及其意义 根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系掌握载流子积累 耗尽和反型和强反型的概念 正确画出流子积累 耗尽和反型和强反型四种情况的能带图 导出反型和强反型条件 6 1 6 2理想MOS电容器 6 2理想MOS电容器 系统单位面积的微分电容微分电容C与外加偏压的关系称为MOS系统的电容 电压特性 若令 6 22 6 23 6 24 6 25 6 2理想MOS电容器 则 绝缘层单位面积上的电容 半导体表面空间电荷区单位面积电容 称为系统的归一化电容 6 26 6 28 6 29 6 2理想MOS电容器 将电容随偏压的变化分成几个区域 变化大致情况如图6 7所示 图6 7P型半导体MOS的C V特性 6 2理想MOS电容器 积累区 0 MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 当负偏压的数值逐渐减少时 空间电荷区积累的空穴数随之减少 并且随的变化也逐渐减慢 变小 总电容C也就变小 平带情况 0 6 40 由掺杂浓度和氧化层厚度确定 6 40 6 2理想MOS电容器 耗尽区 0 氧化层电容 代入 6 2 式中有 6 43 6 42 6 44 和 把 6 5 6 6 6 2理想MOS电容器 代入 6 44 式解出归一化电容随着外加偏压的增加而减小 反型区 0 6 45 6 46 6 47 6 2理想MOS电容器 小结MOS电容定义为绝缘层单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容 6 22 6 29 6 25 6 2理想MOS电容器 小结归一化电容在耗尽区归一化MOS电容随着外加偏压的增加而减小画出了理想系统的电容 电压特性 图6 7 6 28 6 45 6 46 6 2理想MOS电容器 教学要求 掌握理想系统的电容 电压特性 对图6 7作出正确分析 导出公式 6 45 6 46 6 3沟道电导与阈值电压 6 3沟道电导与阈值电压 一沟道电导式中为沟道中的电子浓度 为沟道宽度 即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为 6 51 6 52 6 53 6 3沟道电导与阈值电压 二阈值电压 定义为形成强反型所需要的最小栅电压 当出现强反型时沟道电荷受到偏压控制 这正是MOSFET工作的基础 阈值电压 第一项表示在形成强反型时 要用一部分电压去支撑空间电荷 第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势 6 51 6 54 6 55 6 3沟道电导与阈值电压 小结二个概念 沟道电导 阈值电压沟道电导公式阈值电压公式 6 53 6 54 6 3沟道电导与阈值电压 教学要求掌握概念 沟道电导 阈值电压导出沟道电导公式 6 53 导出阈值电压公式 6 54 说明阈值电压的物理意义 6 4实际MOS的电容 电压特性 6 4实际MOS的电容 电压特性 功函数差的影响 6 4实际MOS的电容 电压特性 以铝电极和P型硅衬底为例 铝的功函数比型硅的小 前者的费米能级比后者的高 接触前 功函数差 0这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带 一部分用来拉平半导体的能带 使 0 因此称其为平带电压 由于功函数的不同 铝 二氧化硅 P型硅MOS系统在没有外加偏压的时候 在半导体表面就存在表面势 0 因此 欲使能带平直 即除去功函数差所带来的影响 就必须在金属电极上加一负电压 6 56 6 4实际MOS的电容 电压特性 6 4实际MOS的电容 电压特性 在室温下 硅的修正功函数 6 57 起着有效电压的作用 实际系统的电容C作为的函数 与理想MOS系统C的作为的函数 在形式上应该是一样的 6 4实际MOS的电容 电压特性 界面陷阱和氧化物电荷的影响 6 4实际MOS的电容 电压特性 界面陷阱电荷 interfacetrappedcharge 硅 100 面 约 硅 111 面 约 氧化物固定电荷 fixedoxidecharge 位于界面约3nm的范围内 这些电荷是固定的 正的 100 面 约为 111 面 约为 因为 100 面的和较低 故硅MOSFET一般采用 100 晶面 氧化物陷阱电荷 oxidetrappedcharge 大都可以通过低温退火消除 可动离子电荷 mobileioniccharge 诸如钠离子和其它碱金属离子 在高温和高压下工作时 它们能在氧化层内移动 6 4实际MOS的电容 电压特性 克服硅 二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压 如果氧化层中正电荷连续分布 电荷体密度为 则总的平带电压 6 58 6 59 6 60 6 4实际MOS的电容 电压特性 其中 6 61 称为有效面电荷 实际硅 二氧化硅系统 6 64 6 4实际MOS的电容 电压特性 实际的MOS阈值电压和C V曲线平带电压阈值电压第一项是 为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所需要加的外加电压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 6 65 6 66 6 4实际MOS的电容 电压特性 小结画出了铝 二氧化硅 硅系统的能带图 由于功函数差 0 因此 欲使能带平直 即除去功函数差所带来的影响 就必须在金属电极上加一负电压 这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带 一部分用来拉平半导体的能带 使 0因此称其为平带电压 6 65 6 4实际MOS的电容 电压特性 小结在二氧化硅 二氧化硅 硅界面系统存在电荷 界面陷阱电荷 interfacetrappedcharge 氧化物固定电荷 fixedoxidecharge 氧化物陷阱电荷 oxidetrappedcharge 可动离子电荷 mobileioniccharge 综合看来 可以把它们看做是位于二氧化硅 硅界面的正电荷 6 4实际MOS的电容 电压特性 小结克服二氧化硅内位于x处的电荷片造成的能带弯曲所需的平带电压为如果位于二氧化硅 硅界面则如果氧化层中正电荷连续分布 电荷体密度为 则总的平带电压 6 58 6 64 6 60 其中称为有效面电荷 6 4实际MOS的电容 电压特性 小结平带电压 为实现平带条件所需的偏压叫做平带电压 6 65 引入平带电压的意义之一是将理想MOS的C V曲线沿着电压轴平移即可得到实际MOS的C V曲线 6 4实际MOS的电容 电压特性 小结实际的阈值电压第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所需要加的栅偏压 即拉平功函数差造成的能带弯曲所需要加的栅偏压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的栅偏压 即拉平二氧化硅中和硅 二氧化硅中的电贺造成的能带弯曲所需要加的栅偏压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 对于铝 二氧化硅 N型硅系统式 6 66 中四项都是负的 而铝 二氧化硅P 型硅系统式 6 66 四项中第三 四项是正的 两种情况下第一 二项总是负的 6 4实际MOS的电容 电压特性 教学要求画出铝 二氧化硅 硅系统的能带图 根据能带图说明 6 56 是否等于 了解在二氧化硅 二氧化硅 硅界面系统存在的电荷及其主要性质 6 4实际MOS的电容 电压特性 教学要求平带电压公式掌握实际阈值电压的公式及各项的意义为什么将理想MOS的C V曲线沿着电压轴平移即可得到实际MOS的C V曲线 对于铝 二氧化硅 P型硅系统和铝 二氧化硅 N型硅系统分析式 6 66 各项的符号 作业 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 6 58 6 64 6 5MOS场效应晶体管 6 5MOS场效应晶体管 基本结构和工作过程 图6 15MOSFET的工作状态和输出特性 a 低漏电压时 6 5MOS场效应晶体管 基本结构和工作过程 图6 15MOSFET的工作状态和输出特性 b 开始饱和 6 5MOS场效应晶体管 基本结构和工作过程 图6 15MOSFET的工作状态和输出特性 c 饱和之后 6 5MOS场效应晶体管 静态特性 图6 16N沟道MOS晶体管 6 5MOS场效应晶体管 线性区在下面的分析中 采用如下主要假设 1 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻 2 沟道内掺杂均匀 3 载流子在反型层内的迁移率为常数 4 长沟道近似和渐近沟道近似 即假设垂直电场和水平电路是互相独立的 6 5MOS场效应晶体管 线性区感应沟道电荷 6 67 漂移电子电流 6 70 式称为萨支唐 C T Sah 方程 6 68 6 69 6 70 6 5MOS场效应晶体管 例题 采用6 4节例题中的MOS结构作为一个MOSFET 已知下列参数 计算和时的解 由于在6 3节中给出 将此值代入 6 70 并令得将代入上式 6 5MOS场效应晶体管 考虑到沟道电压的作用于是 6 5MOS场效应晶体管 所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义 图6 17式 6 68 和式 6 70 的比较 6 5MOS场效应晶体管 饱和区假设在L点发生夹断 0则把式 6 73 代入式 6 70 得此式在开始饱和时是有效的 超过这一点 漏极电流可看作是常数 所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义 6 73 6 74 6 5MOS场效应晶体管 图6 18N沟道MOSFET的电流 电压特性 6 5MOS场效应晶体管 小结画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理 a 若加一小的漏电压 电子将通过沟道从源流到漏 沟道的作用相当于一个电阻 漏电流和漏电压成正比 这是线性区 b 当漏电压增加时 由于从源到漏存在电压即 因此 导电沟道从逐渐变窄 致使处反型层宽度减小到零 这种现象叫做沟道夹断图 6 15b 沟道夹断发生的地点叫夹断点 夹断以后 漏电流基本上保持不变 因为夹断点的电压保持不变 即导电沟道两端的电压保持不变 因而从漏到源的电流也不变 这是饱和区 C 夹断以后 随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度L缩短 因此漏电流将增加从而呈现不饱和特性 6 5MOS场效应晶体管 小结萨支唐方程在推导萨支唐方程过程中假设与V无关 实际上 中所含的与沟道电压有关 考虑到沟道电压的作用 应写成漏电流修正为公式为 6 72 6 71 6 70 6 5MOS场效应晶体管 小结夹断条件 0或饱和区I V特性 截止区 若栅电压小于阈值电压 不会形成反型层 结果是 MOSFET象是背对背连接的两个P N结一样 相互阻挡任何一方的电流流过 晶体管在这一工作区域与开路相似 6 74 6 73 6 5MOS场效应晶体管 教学要求画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理 导出萨支唐方程 6 70 利用导出漏电流修正为公式 6 72 说明夹断条件 0或的物理意义导出饱和区I V特性公式 6 74 作业 6 9 6 10 6 11 6 73 6 70 6 6等效电路和频率响应 6 6等效电路和频率响应 小信号参数 1 线性导纳对式 6 70 求导数线性区的电阻 称为开态电阻 或导通电阻 可用下式表示 6 76 6 75 6 77 6 6等效电路和频率响应 图6 19MOSFET中沟道导纳与的对应关系 6 6等效电路和频率响应 跨导线性区 对式 6 70 求导饱和区 对式 6 74 求导在假设为常数时才成立 饱和区跨导的表示式和线性区导纳的相同 6 79 6 78 6 80 6 6等效电路和频率响应 3 饱和区的漏极电阻饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得 4 栅极电容 ZL 6 81 6 6等效电路和频率响应 图6 20MOS晶体管的小讯号等效电路 MOSFET的等效电路 截止频率定义为输出电流和输入电流之比为1时的频率 即当器件输出短路时 器件不能够放大输入信号时的频率 为了提高工作频率或工作速度 沟道长度要短 载流子迁移率要高 6 82