第十章MOSFET基础(1)(MOS结构,CV特性)

1、20152015年年1111月月1 1第十章第十章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n10.110.1双端结构双端结构n10.210.2电容电压特性电容电压特性n10.310.3基本工作原理基本工作原理n10.410.4频率限制特性频率限制特性n10.510.5技术技术n11.611.6小结小结第十章第十章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础本章概述本章概述nMOSFETMOSFET和其他电路元件结合能够产生电压增益和信号功率和其他电路元件结合能够产生电压增益和信号功率增益；增益；n因因MOSFETMOSFE

2、T尺寸小，因而被广应用于数字电路，尺寸小，因而被广应用于数字电路，MOSFETMOSFET是当是当今集成电路设计的核心；今集成电路设计的核心；nMOSMOS是指金属是指金属(metal)(metal)二氧化硅二氧化硅(SiO(SiO2 2) )硅硅(Si)(Si)系统，更一系统，更一般术语是金属般术语是金属绝缘体绝缘体半导体半导体(MIS)(MIS)，绝缘体不一定是，绝缘体不一定是SiOSiO2 2，半导体不一定是，半导体不一定是SiSi；nMOSFETMOSFET的核心是的核心是MOSMOS电容的金属电容的金属- -氧化物氧化物半导体结构。半导体结构。10.1 10.1 双端双端MOSMOS

3、结构结构n10.1.1 10.1.1 能带图能带图n10.1.2 10.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度n10.1.3 10.1.3 功函数差功函数差n10.1.4 10.1.4 平带电压平带电压n10.1.5 10.1.5 阈值电压阈值电压n10.1.6 10.1.6 电荷分布电荷分布410.1 MOS10.1 MOS电容电容 MOSMOS电容结构电容结构氧化层厚度氧化层厚度氧化层介电常数氧化层介电常数AlAl或高掺杂的或高掺杂的多晶多晶SiSin n型型SiSi或或p p型型SiSiSiO25实际的铝线实际的铝线- -氧化层氧化层- -半导体半导体（M:M:约约10000A O:250A S:

4、10000A O:250A S:约约0.51mm0.51mm）6 610.1 MOS10.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(1)(1)负栅压情形负栅压情形导带底能级导带底能级禁带中心能级禁带中心能级费米能级费米能级价带顶能级价带顶能级FSvFSvEEEE7 7 负电荷负电荷出现在金出现在金属板上，因而产生了属板上，因而产生了指向金属板的电场，指向金属板的电场，电场将半导体中的电场将半导体中的多多子空穴子空穴推向氧化物半推向氧化物半导体表面。导体表面。价带边缘更接近费米能级价带边缘更接近费米能级10.1 MOS10.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬

5、型衬底底(2)(2)( (反型层反型层+ +耗尽层耗尽层) )dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE8 8小的正小的正栅压情栅压情形形大的正大的正栅压情栅压情形形半导体中多子空穴被电场半导体中多子空穴被电场推离推离氧化氧化物物- -半导体界面半导体界面( (耗尽层耗尽层) )表面的本征费米能级低于费米能级，导带比价带表面的本征费米能级低于费米能级，导带比价带更接近费米能级，半导体表面出现更接近费米能级，半导体表面出现电子反型层电子反型层。10.1 MOS 10.1 MOS 电容电容 表面能带图表面能带图:n:n型衬底型衬底(1)(1)正栅压情形正栅压情形FScFSCEEEE9 9氧

6、化物氧化物-半导体半导体界面处的半导体界面处的半导体表面出现电子堆表面出现电子堆积层。积层。电场将半导体中的电子电场将半导体中的电子推向氧化物推向氧化物- -半导体的界半导体的界面。面。10.1 MOS10.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图: :n n型衬底型衬底(2)(2)(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10小的负小的负栅压情栅压情形形大的负大的负栅压情栅压情形形电场将半导体的电子电场将半导体的电子拉离拉离氧化氧化物物- -半导体界面半导体界面半导体本征费米能级移至费米能级上方，价带比导带半导体本征费米能级移至费米能级上方，价带比导带更

7、接近于费米能级。半导体表面出现更接近于费米能级。半导体表面出现空穴反型层空穴反型层。小节内容小节内容n10.1.1 10.1.1 能带图能带图n随便画能带图随便画能带图, ,要知道其半导体类型。要知道其半导体类型。n加什么电压往那里弯曲？加什么电压往那里弯曲？n结论：结论：（1 1）半导体为）半导体为p p型型时，栅极加大的时，栅极加大的正压正压时，可出现时，可出现n n型反型层型反型层；（2 2）半导体为）半导体为n n型型时，栅极加大的时，栅极加大的负压负压时，可出现时，可出现p p型反型层型反型层； “同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引”。（3 3）不论

8、半导体是）不论半导体是p p型还是型还是n n型，型， 栅极加栅极加负压负压，半导体表面的能带，半导体表面的能带向上弯曲（抬头）；向上弯曲（抬头）； 栅极加栅极加正压正压，半导体表面的能带，半导体表面的能带向下弯曲（低头）。向下弯曲（低头）。111111.1 MOS11.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度: :表面耗尽情形表面耗尽情形费米势费米势表面势表面势 ：是：是半导体体内与表半导体体内与表面之间的势垒高面之间的势垒高度；度；是横跨空间是横跨空间电荷层的电势差电荷层的电势差。 表面空间电表面空间电荷区宽度荷区宽度s半导体体内费米能半导体体内费米能级与禁带中心能级级与禁带中心能

9、级之差的电势表示之差的电势表示采用单边突变结的采用单边突变结的耗尽层近似耗尽层近似P P型衬底型衬底1212P181P181P P如何推出？如何推出？10.1 MOS10.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度: :表面反型情形表面反型情形阈值反型点阈值反型点条件：条件：表面处表面处的电子浓度的电子浓度= =体内体内的空穴浓度的空穴浓度表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度P P型衬底型衬底表面表面电子电子浓度浓度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内体内空穴空穴浓度：浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp栅电压栅电压= =阈值电

10、压阈值电压表面空间电荷区表面空间电荷区厚度达到最大值厚度达到最大值1313P322P322例例11.111.110.1 MOS10.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度:n:n型衬底情形型衬底情形阈值反型点阈值反型点条件：表面势条件：表面势=费米势的费米势的2 2倍，表面处的空穴浓度倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，体内的电子浓度，此时所加的电压称为此时所加的电压称为阈值电压阈值电压（即栅电压（即栅电压=阈值电压）。阈值电压）。表面空间电荷表面空间电荷区宽度区宽度表面势表面势n n型衬底型衬底1410.1 MOS10.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度: :与掺杂

11、浓度的关系与掺杂浓度的关系实际器件实际器件参数区间参数区间15小节内容小节内容n10.1.2 10.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度n耗尽情况耗尽情况n反型情况反型情况n会算其厚度会算其厚度n了解阈值反型点条件了解阈值反型点条件n常用器件掺杂范围常用器件掺杂范围1610.1 MOS10.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS接触前的能带图接触前的能带图金属的金属的功函数功函数金属的费米能级金属的费米能级二氧化硅的二氧化硅的禁带宽度禁带宽度二氧化硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与

12、半导体的功函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换1710.1 MOS10.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS结构的能带图结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压， 热平衡热平衡零栅压下氧化物零栅压下氧化物二侧的电势差二侧的电势差修正的金属修正的金属功函数功函数零栅压下半导体的零栅压下半导体的表面势表面势修正的硅的电子修正的硅的电子亲和能亲和能二氧化硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能1810.1 MOS10.1 MOS电容电容 功函数差功函数差: :计算公式计算公式00 ()2()gms

13、mfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 内建电势差：内建电势差：ms功函数差功函数差1910.1 MOS10.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:n:n掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅(P-Si)(P-Si)00MOSFETMOSFET为为增强型增强型V VG G=0=0时未反型，加有时未反型，加有正栅压时才反型正栅压时才反型V VTNTN00MOSFETMOSFET为为耗尽型耗尽型V VG G=0=0时已反型，加有时已反型，加有负栅压后

14、才能脱离负栅压后才能脱离反型反型P P型衬底型衬底MOSMOS结构结构29为了得到增强型的器件，为了得到增强型的器件，p p型半导体型半导体必须被一定程度地重掺杂必须被一定程度地重掺杂。10.1 MOS电容 阈值电压阈值电压:n:n型衬底情形型衬底情形02|2|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQCQV30)2(fpgmmseEoxssmsFBCQV/费米势费米势表面耗尽层最大厚度表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积表面耗尽层电荷oxoxoxtC/dTaSDxeNQ |max单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容平带电压平带电压阈值电压阈值电压10.

15、1 MOS10.1 MOS电容电容 n n型衬底与型衬底与p p型衬底的比较型衬底的比较dTdSDxeNQ |max)2(fngmmseEp p型衬底型衬底MOSMOS结构结构n n型衬底型衬底MOSMOS结构结构oxoxoxtC/oxssmsFBCQV/阈值电压典型值阈值电压典型值金属金属-半导体功函数差半导体功函数差3110.1 MOS10.1 MOS电容电容 10.1.610.1.6表面反型层电子密度与表面势的关系表面反型层电子密度与表面势的关系316316cm101V695. 02V347. 0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：32)exp(2kTeNnnsais 表面处

16、的电子浓度随着表面势的增加而增表面处的电子浓度随着表面势的增加而增大，表面势的很小改变就可以使电子浓度迅大，表面势的很小改变就可以使电子浓度迅速增加，此时空间电荷匹宽度达到最大值。速增加，此时空间电荷匹宽度达到最大值。10.1 MOS10.1 MOS电容电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系表面空间电荷层电荷与表面势的关系半导体表面状态的变化时衬底型GSVSip堆积堆积平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型33小节内容小节内容n10.1.6 10.1.6 电荷分布电荷分布n分布图分布图n10.1.5 10.1.5 阈值电压阈值电压n概念概念n电中性条件电中性条件n与谁有关与谁有关? ?如何理

17、解如何理解? ?nN N型型P P型及掺杂的关系型及掺杂的关系3510.210.2节内容节内容n理想情况理想情况C-VC-V特性特性n频率特性频率特性n氧化层电荷及界面态的影响氧化层电荷及界面态的影响n实例实例3610.2 C-V10.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性？特性？)(VfdVdQC平带平带电容电容- -电压特性电压特性3710.2 C-V10.2 C-V特性特性 堆积状态堆积状态加负栅压，加负栅压，堆积层堆积层电荷能够跟得上电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电栅压的变化，相当于栅介质平板电容容oxoxoxtCC)acc( 平带平带本征本征38栅氧化层栅氧化层

18、电容：电容：10.2 C-V10.2 C-V特性特性 平带状态平带状态所加负栅压正好等于平带电压所加负栅压正好等于平带电压V VFBFB，使，使半导体表面能带无弯曲半导体表面能带无弯曲asoxoxoxoxFBeNekTttC平带平带本征本征3910.2 C-V10.2 C-V特性特性 耗尽（耗尽（Deplete)Deplete)状态状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容的变化而变化，出现耗尽层电容平带平带本本征征C相当与相当与Cox与与C sd串联串联min(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep( CxVdG4010.2 C

19、-V10.2 C-V特性特性 强反型状态强反型状态( (低频低频) )加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化电荷跟得上栅压的变化平带平带本征本征oxoxoxtCC)inv( 4110.2 C-V10.2 C-V特性特性 n n型与型与p p型的比较型的比较p p型衬底型衬底MOSMOS结构结构n n型衬底型衬底MOSMOS结构结构42负偏栅压时为堆积模式，负偏栅压时为堆积模式，正偏栅压时为反型模式。正偏栅压时为反型模式。正偏栅压时为堆积模式，正偏栅压时为堆积模式，负偏栅压时为反型模式。负偏栅压时为反型模式。10.2 C-V10.2 C-V特性特

20、性 11.2.211.2.2反型状态反型状态( (高频高频) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( 加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对有耗尽层电容对C C有贡献。此时，耗尽层宽度有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。MHz1fHz1005f栅压频率的影响栅压频率的影响43小节内容小节内容n理想情况理想情况CVCV特性特性nCVCV特性概念特性概念n堆积平带耗尽反型下的概念

21、堆积平带耗尽反型下的概念n堆积平带耗尽反型下的计算堆积平带耗尽反型下的计算n频率特性频率特性n高低频情况图形及解释高低频情况图形及解释4410.2.310.2.3固定栅氧化层电荷和界面电荷效应固定栅氧化层电荷和界面电荷效应n对对MOSMOS的的C-VC-V的影响主要有两种：的影响主要有两种：（1 1）固定栅氧化层电荷）固定栅氧化层电荷（2 2）氧化层）氧化层- -半导体界面电荷半导体界面电荷 10.2 C-V10.2 C-V特性特性 氧化层电荷的影响氧化层电荷的影响曲线左移，反之右移VCVQFBss例图例图: :如果如果QssQss均为正电荷均为正电荷, ,需需要额外牺牲负电荷来中和界要额外牺

22、牲负电荷来中和界面的正电面的正电, ,所以平带电压更负所以平带电压更负- - - - - + ssFBmsoxQVC平带电压4610.2 C-V10.2 C-V特性特性 界面陷阱的分类界面陷阱的分类被电子占据（在被电子占据（在E EFSFS之下）带负电，不被电子占据（在之下）带负电，不被电子占据（在E EFSFS之上）为中性之上）为中性被电子占据（在被电子占据（在E EFSFS之下）为中性，不被电子占据（在之下）为中性，不被电子占据（在E EFSFS之上）带正电之上）带正电（界面陷阱）（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电施主态容易放出电子带正电图图11.32 11.32 氧化层界面处界面态示意图氧化层界面处界面