半导体器件-L-MOSFET的基本特性ppt课件

.,1,半导体器件原理,主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email:yljiang21,.,2,第三章MOSFET的基本特性,3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性,.,3,3.1.1MOSFET简介,3.1MOSFET的结构和工作原理1,Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor,.,4,3.1.1MOSFET简介,MOSFETvsBJT,3.1MOSFET的结构和工作原理2,.,5,3.1.1MOSFET简介,晶体管发展史,1o提出FET的概念J.E.Lilienfeld（1930专利）O.Heil（1939专利）,2oFET实验研究W.Shockley（二战后）,3oPoint-contacttransistor发明J.BardeenW.H.Brattain（1947）,4o实验室原理型JFET研制成功Schockley（1953）,5o实用型JFET出现（1960）,6oMOSFET出现（1960）,7oMESFET出现（1966）,3.1MOSFET的结构和工作原理3,.,6,3.1.2MOSFET的结构,3.1MOSFET的结构和工作原理4,.,7,3.1.3MOSFET的基本工作原理,ID,当VGVT时ID:0,B,3.1MOSFET的结构和工作原理5,.,8,3.1.4MOSFET的分类和符号,3.1MOSFET的结构和工作原理6,.,9,3.1.5MOSFET的输出特性和转移特性,1.输出特性,线性区,饱和区,击穿区,IDSVDS（VGS为参量）,NMOS（增强型）,3.1MOSFET的结构和工作原理7,.,10,3.1.5MOSFET的输出特性和转移特性,1.输出特性,3.1MOSFET的结构和工作原理8,NMOS（增强型）,NMOS（耗尽型）,PMOS（增强型）,PMOS（耗尽型）,.,11,3.1.5MOSFET的输出特性和转移特性,2.转移特性,3.1MOSFET的结构和工作原理9,IDSSVGS（VDS为参量）,NMOS（增强型）,.,12,3.1.5MOSFET的输出特性和转移特性,2.转移特性,3.1MOSFET的结构和工作原理10,NMOS（增强型）,NMOS（耗尽型）,PMOS（增强型）,PMOS（耗尽型）,.,13,第三章MOSFET的基本特性,3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性,.,14,3.2.1半导体的表面状态,3.2MOSFET的阈值电压1,VG=?,.,15,3.2.2阈值电压的表达式,3.2MOSFET的阈值电压2,不考虑msQssQox时,考虑msQssQox时VFB0,其中,功函数差,接触电势差,.,16,3.2.2阈值电压的表达式,3.2MOSFET的阈值电压3,n沟MOS（NMOS）,p沟MOS（PMOS）,.,17,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压4,1.功函数差ms的影响,(1)金属功函数Wm,(2)半导体功函数Ws,=,p型n沟MOS,n型p沟MOS,.,18,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压5,1.功函数差ms的影响,(3)Al栅工艺/硅栅工艺,自对准多晶硅栅工艺,Self-aligned,(P-Si),(N-Si),.,19,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压5,1.功函数差ms的影响,N-MOSFET,多晶硅栅MOSFET,.,20,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压6,1.功函数差ms的影响,P-MOSFET,多晶硅栅MOSFET,.,21,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压7,2.衬底杂质浓度NB的影响,NB增加2个数量级，VB增加0.12V,.,22,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压8,3.界面固定电荷QSS的影响,n沟MOS（NMOS）,p沟MOS（PMOS）,ND/cm-3,NMOS,PMOS,.,23,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压9,4.离子注入调整VT,P-Si,Rp0,VGS=VT,VBS=0,(2)MOSFET的VT,.,30,3.2.3影响VT的因素,3.2MOSFET的阈值电压16,6.衬底偏置效应(衬偏效应，Bodyeffect),(3)VT(VBS),VBS=0时,VBS0时,.,31,3.2.3影响VT的因素,6.衬底偏置效应(衬偏效应，Bodyeffect),(3)VT(VBS),3.2MOSFET的阈值电压17,衬偏系数,.,32,3.2.3影响VT的因素,6.衬底偏置效应(衬偏效应，Bodyeffect),(3)VT(VBS),3.2MOSFET的阈值电压18,衬偏效应下的转移特性,.,33,第三章MOSFET的基本特性,3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性,.,34,3.3.1MOSFET非平衡时的能带图,3.3MOSFET的直流特性1,.,35,qV(y),VGS=VFB,VDS=0,VGS=VT,VDS=0,VGS=VT,VDS0,qVB,EF,qVB,qVB,EF,EF,qV(y),EiS,EiB,EiS,EiB,EiB,EiS,VGS=VFB,VDS=0,VGS=VT,VDS=0,立体图,3.3.1MOSFET非平衡时的能带图,3.3MOSFET的直流特性2,正面,侧面,.,36,3.3.1MOSFET非平衡时的能带图,3.3MOSFET的直流特性3,.,37,3.3MOSFET的直流特性4,3.3.1MOSFET非平衡时的能带图,.,38,3.3MOSFET的直流特性5,3.3.1MOSFET非平衡时的能带图,MOSFET静电势图,.,39,3.3MOSFET的直流特性5,3.3.1MOSFET非平衡时的能带图,MOSFET静电势图,.,40,3.3MOSFET的直流特性6,3.3.2IDSVDS的关系,假设：,1o源区和漏区的电压降可以忽略不计；,2o在沟道区不存在产生-复合电流；,3o沟道电流为漂移电流；,4o沟道内载流子的迁移率为常数n(E)=C；,5o沟道与衬底间（pn结）的反向饱和电流为零；,6o缓变沟道近似（GradualChannelApproximation）,.,41,3.3MOSFET的直流特性7,3.3.2IDSVDS的关系,MOSFET坐标系,x,y,z,.,42,3.3MOSFET的直流特性8,3.3.2IDSVDS的关系,1.缓变沟道近似(GCA),二维泊松方程,GCA,在计算Q(y)时不必考虑Ey的影响,.,43,3.3MOSFET的直流特性9,3.3.2IDSVDS的关系,2.可调电阻区(线性区),强反型条件下（VGSVT）,在氧化层极板y处感应的单位面积上总电荷,QB(dmax),反型电子,y,0,L,V(0)=0,V(L)=VDS,B,2VB+V(y),VDS较小时,负电荷,.,44,3.3MOSFET的直流特性10,3.3.2IDSVDS的关系,2.可调电阻区(线性区),VDS较小时,.,45,3.3MOSFET的直流特性11,3.3.2IDSVDS的关系,2.可调电阻区(线性区),VDS较小时,跨导参数,可调电阻区（线性区）,当VDSEx，GCA不成立,漏端Eox(L)与源端Eox(0)方向相反,夹断点Eox(Leff)=0，Qn=0,Leff,L,y,长沟道器件：L/L1,长沟道,短沟道,短沟道器件：L/L1,IDS不饱和，VDSIDS,沟道长度调制效应,ro从变为有限大,.,48,3.3MOSFET的直流特性14,3.3.3MOSFET的亚阈值特性,1.亚阈值现象,.,49,3.3MOSFET的直流特性15,3.3.3MOSFET的亚阈值特性,2.亚阈值区的扩散电流,弱反型时（VBVs2VB），半导体表面处p(0,y)n(0,y)NA,载流子浓度低,J漂移J扩散,电流连续,V(0)=0,V(L)=VDS,Iy=常数,n(0)=?,n(L)=?,.,50,3.3MOSFET的直流特性16,3.3.3MOSFET的亚阈值特性,2.亚阈值区的扩散电流,载流子浓度分布,当VDS较小时（VDS0（实际）,gm|饱和区VDS很小,VDS稍大但仍VDSsat,沟道长度调制效应,漏区电场静电反馈作用,.,61,3.3MOSFET的直流特性26,3.3.4MOSFET直流参数,3.低频小信号参数,(3)等效电路,vGS,+,+,iDS,G,S,S,D,gmvGS,ro=gD1,vDS,(VGSVT)线性区,0饱和区,.,62,3.3MOSFET的直流特性27,3.3.5MOSFET的二级效应,1.非常数表面迁移率效应,(1)栅电场影响(Ex),VGSEx,n=550950cm2/Vsp=150250cm2/Vs,sbulk/2,n/p=24,.,63,3.3MOSFET的直流特性28,3.3.5MOSFET的二级效应,1.非常数表面迁移率效应,(1)栅电场影响(Ex),有效迁移率,.,64,3.3MOSFET的直流特性29,3.3.5MOSFET的二级效应,1.非常数表面迁移率效应,(1)栅电场影响(Ex),1o线性区：VGS较小时，斜率增加等间距VGS较大时，曲线密集,IDS=,线性区,饱和区,2o饱和区：VGS较大时，IDSsat随VGS增加不按平方规律,栅电场对迁移率影响,.,65,3.3MOSFET的直流特性30,3.3.5MOSFET的二级效应,1.非常数表面迁移率效应,(2)漏电场Ey影响（载流子速度饱和效应）,v(Ey)=,EyEsatL时，,当gm,“饱和”区,.,69,3.3MOSFET的直流特性34,3.3.5MOSFET的二级效应,2.体电荷变化效应(Bulk-ChargeModel),GCA假设：Ey只影响载流子沿沟道方向的输运，而不影响沟道中载流子数量。表面势Vs由VGS唯一确定，而与VDS无关。,QB=常数=qNAdmax,常数，不随y变化,但当VDS较大时，GCA假设不成立。,QB是y的函数,强反型时（指源端）,QB=QB(y)=QB(dmax(y),.,70,3.3MOSFET的直流特性35,3.3.5MOSFET的二级效应,2.体电荷变化效应(Bulk-ChargeModel),体电荷模型,强反型时,y=0L,V(y)=0VDS,Vs(y)=2VB2VB+VDS,重新计算Qn(y)：,Vs(y),dmax(y)=,.,71,3.3MOSFET的直流特性36,3.3.5MOSFET的二级效应,2.体电荷变化效应(Bulk-ChargeModel),无统一的VT,.,72,3.3MOSFET的直流特性37,3.3.5MOSFET的二级效应,2.体电荷变化效应(Bulk-ChargeModel),体电荷模型,讨论：,1o简单模型（Square-lawmodel）高估IDS约2050%，Why?NAIDS偏差Why?,2o简单模型（Square-lawmodel）高估VDSsat，Why?,3o当VDS2VB时，,VT,.,73,3.3MOSFET的直流特性38,3.3.5MOSFET的二级效应,2.体电荷变化效应(Bulk-ChargeModel),体电荷模型,讨论：,4o计算VDSsat,VDSsat,VDSsat,当Qn2VB，NA很小时,5o衬偏效应（VBS0）,.,75,3.3MOSFET的直流特性40,3.3.5MOSFET的二级效应,3.非零漏电导,(1)沟道长度调制效应,Leff,L,y,.,76,3.3MOSFET的直流特性41,3.3.5MOSFET的二级效应,3.非零漏电导,近似地,沟道长度调制因子0.10.01V1,斜率=,.,77,3.3MOSFET的直流特性42,3.3.5MOSFET的二级效应,3.非零漏电导,(2)漏电场静电反馈效应,VDSEDQnIDSIDS不饱和,ED,.,78,3.3MOSFET的直流特性43,3.3.5MOSFET的二级效应,4.源漏串联电阻对gD和gm的影响,(1)对gD的影响,VGS,G,S,RS,RD,D,S,D,vGS,+,+,iDS,G,S,S,D,gmivGS,ro=gDi1,vDS,RS,.,79,3.3MOSFET的直流特性44,3.3.5MOSFET的二级效应,4.源漏串联电阻对gD和gm的影响,线性区,饱和区,(2)对gm的影响,dVDS=0,?,.,80,3.3MOSFET的直流特性45,3.3.5MOSFET的二级效应,4.源漏串联电阻对gD和gm的影响,=,线性区,饱和区,当RSgmi1时，gmRS1（与器件本征参数无关）,.,81,3.3MOSFET的直流特性46,3.3.5MOSFET的二级效应,5.最大gm/Iout(gm的极限),饱和区,当VGSVT0时，gm/IDS,同时当tox0时，gm,“高低结”势垒高度,.,82,3.3MOSFET的直流特性47,3.3.5MOSFET的二级效应,6.Gate-InducedDrainLeakage(GIDL),(1)条件,亚阈值区(VGSVT),大VDS（强漏电场）,n+,VGS,VDS,+,+,+,+,+,+,.,83,3.3MOSFET的直流特性48,3.3.5MOSFET的二级效应,6.Gate-InducedDrainLeakage(GIDL),(2)机理,深耗尽状态,类似于“p+n+”结,“p+”,n+,“p+”区价带中的电子隧穿至n+区导带,电子流向漏极(n+),空穴（横向）流向衬底（B极）,IDBIDS（DS）,隧穿方式：,Band-to-bandtunneling,Trap-assistedtunneling,Thermal-emission+tunneling,.,84,3.3MOSFET的直流特性49,3.3.5MOSFET的二级效应,6.Gate-InducedDrainLeakage(GIDL),(3)使GIDL增大的因素,1oGepreamorphizationbulkmidgaptraps,2oHotcarrierinjection(HCI)interfacetraps,3oFowler-Nordheimtunneling,(4)抑制GIDL的方法,1otoxEoxEs,2o近表面区Nt,3oND(n+)耗尽区厚度tunneling区域,4oLDD结构E漏,.,85,3.3MOSFET的直流特性49,3.3.6击穿特性,1.源漏击穿,1.源漏击穿,2.栅击穿,漏-衬底pn结雪崩击穿,沟道雪崩击穿,漏源势垒穿通,(1)漏-衬底pn结雪崩击穿(BVDS),NABVDS,.,86,3.3MOSFET的直流特性50,3.3.6击穿特性,1.源漏击穿,(1)漏-衬底pn结雪崩击穿(BVDS),.,87,3.3MOSFET的直流特性50,3.3.6击穿特性,1.源漏击穿,(2)沟道雪崩击穿,雪崩注入（Walk-out现象）,VDSEy当EyEc时，沟道击穿,电子：沟道D沟道SiO2空穴：沟道B,雪崩击穿后500oC退火后恢复,电子注入几率,6nm,4.5nm,空穴注入几率,2.8105,4.6108,e.g.5105V/cm,1o电子注入比空穴注入显著2o载流子注入与栅电压有关,问题：为什么空穴流向衬底（B极）？,.,88,3.3MOSFET的直流特性51,3.3.6击穿特性,1.源漏击穿,(3)漏源势垒穿通,扩散势0.7V,短沟道，低NAMOSFET容易punch-through,.,89,3.3MOSFET的直流特性52,3.3.6击穿特性,2.栅击穿,SiO2击穿电场Ec=(510)106V/cm,Eg.tox=100200nmBVGS=100200V,击穿时，J=10610A/cm2T4000K,Eg.Cox=1pF，tox=100nm，Q=(510)1011C,栅击穿！,.,90,第三章MOSFET的基本特性,3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性,.,91,3.4MOSFET的频率特性1,3.4.1交流小信号等效电路,1.MOSFET的电容,.,92,3.4MOSFET的频率特性2,3.4.1交流小信号等效电路,1.MOSFET的电容,低频（直流）时,IGS0,IDS(VGS,VDS),高频时,.,93,3.4MOSFET的频率特性3,3.4.1交流小信号等效电路,2.计算分布电容CGS和CGD,常数，只与VGB有关,线性区,.,94,3.4MOSFET的频率特性4,3.4.1交流小信号等效电路,2.计算分布电容CGS和CGD,（线性区）,（线性区）,（饱和区：VGD=VT）,.,95,3.4MOSFET的频率特性5,3.4.1交流小信号等效电路,2.计算分布电容CGS和CGD,线性区,VGSVGD,VGSVGD,饱和区：VGD=VT,单位：F,.,96,3.4MOSFET的频率特性6,3.4.1交流小信号等效电路,3.等效电路,对CGS充电时，等效沟道串联电阻,.,97,3.4MOSFET的频率特性7,3.4.1交流小信号等效电路,3.等效电路,实际MOSFET高频等效电路,S,.,98,3.4MOSFET的频率特性8,3.4.2高频特性,1.跨导截止频率,饱和区,.,99,3.4MOSFET的频率特性9,3.4.2高频特性,2.截止频率(最高振荡频率)fT,gmvGS,+,G,S,D,CGS,gD1,S,+,RGS,CGD=0（饱和区）,vGS,vGS,iGS,定义时,.,100,3.4MOSFET的频率特性10,3.4.2高频特性,2.截止频率(最高振荡频率)fT,饱和区,3.沟道渡越时间,假设沟道中为均匀电场,问题：考虑实际沟道为非均匀电场，则结果如何？,.,101,3.4MOSFET的频率特性11,3.4.2高频特性,4.提高fT的途径,1o(100)n沟,2oL,3oCGSOCGDO,考虑寄生电容时，输入电容,反馈电容,不考虑反馈电容Cf时，,考虑反馈电容Cf时，Cf两端电压,Cf折合到输入端,.,102,3.4MOSFET的频率特性12,3.4.2高频特性,4.提高fT的途径,饱和区，CGD=0，GV很大,降低寄生电容，减小Overlap,.,103,3.4MOSFET的频率特性13,3.4.2高频特性,4.提高fT的途径,降低寄生电容的结构,.,104,第三章MOSFET的基本特性,3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性,.,105,3.5MOSFET的开关特性1,3.5.1电阻型负载MOS倒相器,1.MOS倒相器的开关作用,+VDD,vDS(t),vGS(t),+,RD,C,+,v(t),VT,vGS(t),10%,90%,0,ton,toff,t,vDS(t),IDS,VDS,A,B,电容C的来源：,输出信号线与衬底电容；,下级MOS管的输入电容.,漏结电容；,Von,Voff,0,VDD,负载线,.,106,3.5MOSFET的开关特性2,3.5.1电阻型负载MOS倒相器,2.MOS倒相器的开关时间,(1)ton,t:0ton,工作点:BA,充放电过程:电容C通过沟道电阻R放电,R(t):,估算ton:,则,Cgmston,.,107,3.5MOSFET的开关特性3,3.5.1电阻型负载MOS倒相器,2.MOS倒相器的开关时间,(2)toff,t:0toff,工作点:AB,充放电过程:VDD通过RD对电容C充电,估算toff:,CRDtoff,受倒相器的逻辑摆幅限制,.,108,3.5MOSFET的开关特性4,负载（M2）：有源负载,当时，负载管导通，且处于饱和区。,导通过程：与电阻型负载相同（ton）。,关断过程：IDS非线性，比电阻型负载慢。,负载管（M2）需考虑衬偏效应,VDS,3.5.2增强型-增强型MOS倒相器（E-EMOS）,.,109,3.5MOSFET的开关特性5,3.5.2增强型-增强型MOS倒相器（E-EMOS）,导通态电压Von、电流Ion,导通时（A）：M1线性区M2饱和区,M2：,M1：,.,110,3.5MOSFET的开关特性6,3.5.2增强型-增强型MOS倒相器（E-EMOS）,关断时（B）：M1截止区M2饱和区,E-EMOS的优点：,1o面积小，集成度高；,2o单沟道.,E-EMOS的缺点：,1otoff长；,2o导通态功耗大；,3o存在衬偏效应.,.,111,3.5MOSFET的开关特性7,3.5.3增强型-耗尽型MOS倒相器（E-DMOS）,负载管（M2）：耗尽型,当时，负载管永远导通。,导通过程：与电阻型、增强型负载相同（ton）。,关断过程：IDS非线性，比电阻型、增强型负载快,导通时（A）：M1线性区M2饱和区,关断时（B）：M1截止区M2线性区,负载管（M2）也需考虑衬偏效应,.,112,3.5MOSFET的开关特性8,3.5.3增强型-耗尽型MOS倒相器（E-DMOS）,E-DMOS的优点：,1otoff短；,2o面积小，集成度高；,3o同类型沟道.,E-DMOS的缺点：,1o导通态功耗大；,2o存在衬偏效应.,.,113,3.5MOSFET的开关特性9,3.5.4互补MOS倒相器（CMOS）,负载管（M2）：增强型PMOS,输入低电平：M1截止区，M2线性区,输入高电平：M1线性区，M2截止区,输出高电平（VDD）,输出低电平（0V）,.,114,3.5MOSFET