半导体器件物理_5孟庆巨

1、第五章第五章 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管主要内容主要内容一、一、MOSFETMOSFET的基本结构的基本结构二、二、MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理三、三、MOSFETMOSFET的直流特性曲线的直流特性曲线四、四、MOSFETMOSFET的种类的种类五、五、MOSFETMOSFET的电容与频率特性的电容与频率特性六、六、MOSFETMOSFET的技术发展的技术发展 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor)Field Effect Transistor)是是一种电压控制器件，用输入电压控制输出电流一种电压控制器件，用输入电压控制输出电流

2、的半导体器件，仅由一种载流子参与导电。从的半导体器件，仅由一种载流子参与导电。从参与导电的载流子来划分，它有参与导电的载流子来划分，它有电子电子作为载流作为载流子的子的N N沟道器件和沟道器件和空穴空穴作为载流子的作为载流子的P P沟道器件。沟道器件。 从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.1.结型场效应晶体管结型场效应晶体管JFETJFET (Junction type Field Effect Transistor) 2.2.金属半导体场效应晶体管金属半导体场效应晶体管MESFETMESFET ( Metal Semiconductor Fi

3、eld Effect Transistor) 3.3.金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFETMOSFET （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ） p随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部分超大规模集成电路都是分超大规模集成电路都是MOSMOS集成电路。在数字集集成电路。在数字集成电路，尤其是成电路，尤其是微处理机微处理机和和存储器存储器方面，方面，MOSMOS集成集成电路几乎占据了绝对的位置。电路几乎占据了绝对的位置。p此外，此外，MOSMOS在一些特种

4、器件，如在一些特种器件，如CCDCCD（电荷耦合器（电荷耦合器件）和敏感器件方面应用广泛。件）和敏感器件方面应用广泛。促进促进MOSMOS晶体管发展主要有以下四大技术：晶体管发展主要有以下四大技术：(a)(a)半导体表面的稳定化技术半导体表面的稳定化技术(b)(b)各种栅绝缘膜的实用化各种栅绝缘膜的实用化(c)(c)自对准结构自对准结构MOSMOS工艺工艺(d) (d) 阈值电压的控制技术阈值电压的控制技术MOSFETMOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P P型半型半导体上生成一层导体上生成一层SiOSiO2 2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩

5、散两薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的个高掺杂的N N型区，从型区，从N N型区引出电极型区引出电极，一个是一个是漏极漏极D D，一，一个是个是源极源极S S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为作为栅极栅极G G。P P型半导体称为型半导体称为衬底衬底，用符号，用符号B B表示。表示。一、一、 MOSFETMOSFET的基本结构的基本结构1 1、MOSMOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构D(Drain)D(Drain)为漏极，相当为漏极，相当c c； G(Gate)G(Gate)为栅极，相当为栅极，相当b b； S(Source)S

6、(Source)为源极，相当为源极，相当e e。B(substrate),B(substrate),衬底极。衬底极。通常接地通常接地，有时为了控制电流或由有时为了控制电流或由于电路结构的需要，在衬底和源之于电路结构的需要，在衬底和源之间也加一个小偏压间也加一个小偏压(V(VBSBS) )。MOSMOS场效应晶体管是四端器件。场效应晶体管是四端器件。若栅极材料用金属铝，则称若栅极材料用金属铝，则称“铝栅铝栅”器件；器件；若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅硅栅”器件。目前器件。目前绝大部分芯片生产厂家是采用绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅硅栅”工艺。工艺。对对N

7、MOSNMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的晶体管，源和漏是用浓度很高的N N杂质扩散杂质扩散而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟道区长度为道区长度为L L，宽度为，宽度为W W。对于对于NMOSNMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低，通常漏源之间加偏压后，将电位低的一端成为的一端成为源源，电位高的一端称为，电位高的一端称为漏漏，电流方，电流方向由漏端流向源端。向由漏端流向源端。2 2、MISMIS结构结构（1） 表面空间电荷层和反型层表面空间电荷层和反型层表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面的

8、感生电荷。的感生电荷。MIS结构上加电压后产生感生电荷的四种情况。结构上加电压后产生感生电荷的四种情况。 以以P P半导体的半导体的MISMIS结构为例。结构为例。 当栅上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子当栅上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子（空穴），在半导体表面形成（空穴），在半导体表面形成积累层积累层。 当栅上加正电压，电场的作用使多数载流子被排斥而远离表当栅上加正电压，电场的作用使多数载流子被排斥而远离表面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗耗尽层尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量

9、很。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负空间电荷区加宽。空间电荷区加宽。 随着正电压的加大随着正电压的加大, ,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的电子也随着增加。当电压达到某一电子也随着增加。当电压达到某一“阈值阈值”时，吸引到表面时，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反型即反型层层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反

10、型层中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。（2 2） 形成反型层的条件形成反型层的条件当当V VG G较小时，表面处的能带较小时，表面处的能带只是略微向下弯曲，使表面费只是略微向下弯曲，使表面费米能级米能级E EF F更接近本征费米能级更接近本征费米能级E Ei i，空穴浓度减少，电子浓度，空穴浓度减少，电子浓度增加，但与电离受主的空间电增加，但与电离受主的空间电荷相比仍较少，可忽略荷相比仍较少，可忽略。V VG G继续增大，使表面费米能级继续增大，使表面费米能级E EF F与本征费米能级与本征费米能级E Ei i时，表面电时

11、，表面电子浓度开始要超过空穴浓度，子浓度开始要超过空穴浓度，表面将从表面将从P P型转为型转为N N型，称为型，称为“弱反型弱反型”。发生弱反型时，。发生弱反型时，电子浓度仍旧很低，并不起显电子浓度仍旧很低，并不起显著的导电作用。著的导电作用。当表面势达到费米势的当表面势达到费米势的两倍，表面电子的浓度正两倍，表面电子的浓度正好与体内多子空穴的浓度好与体内多子空穴的浓度相同，称为相同，称为“强反型强反型”。此时，栅极电压此时，栅极电压V VG G称为称为阈阈值电压值电压V VT T。V VG G继续增大，耗尽层电荷继续增大，耗尽层电荷Q QB B和表面势和表面势V Vs sV VF F基本不基

12、本不再变化，只有反型层载流子电荷随电压再变化，只有反型层载流子电荷随电压V VG G增加而增加。增加而增加。对于表面反型层中的电子，一边是绝缘层，一边是对于表面反型层中的电子，一边是绝缘层，一边是导带弯曲形成的一个陡坡（空间电荷区电场形成的导带弯曲形成的一个陡坡（空间电荷区电场形成的势垒），因此，反型层通常又称势垒），因此，反型层通常又称沟道沟道。 P P型半导体的表面反型层由电子构成，称为型半导体的表面反型层由电子构成，称为N N沟道。沟道。同理同理N N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P P沟道。沟道。（3 3）发生强反型时，）发生强反型时，能带向下

13、弯曲能带向下弯曲2 2q qV VF F，即表面势达到费米势的两倍：，即表面势达到费米势的两倍：FsVV2施加在栅电极上的电压施加在栅电极上的电压V VG G为阈值电压为阈值电压V VT T：210)4(122FASiOXFOXBFTqVNCVCQVV式中式中Q QB B为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，C Coxox为为MISMIS结构结构中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：OXSiOXTC0三、三、MOSFETMOSFET的直流特性的直流特性1 1、阈值电压、阈值电压 平带电压平带电压VFBVFB 在

14、实际的在实际的MOSMOS结构中，栅氧化层中往往存在电荷结构中，栅氧化层中往往存在电荷（Q Qfcfc），金属），金属半导体功函数差半导体功函数差V Vmsms也不等于零也不等于零（金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电（金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电子的能量子的能量E E0 0和费米能级之差），因此，当和费米能级之差），因此，当V VG G0 0时时半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直，半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直，需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响，需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响，这个外加栅压值称为平带电压，记为这个外加栅压值称为平带电压，记

15、为V VFBFBOXfcmsFBCQVV 阈值电压阈值电压oxBFFBTCQVVV2oxBFoxfcmsCQVCQV2 MOSFETMOSFET的放大作用的放大作用：由于反型层电荷强烈地依赖于由于反型层电荷强烈地依赖于栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。 当当MOSFETMOSFET沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产生沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产生压降，使压降，使MOSMOS结构处于非平衡状态，结构处于非平衡状态，N N型沟道型沟道的的厚度、厚度、能带连同其费米能级沿能带连同其费米能级沿y y方向均随着电压的变化发方向均随着电压的变化发

16、生倾斜。生倾斜。2 2、MOSFETMOSFET的电流电压关系的电流电压关系漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用当当V VGSGSV VT T，且固定为某一值时，分析漏且固定为某一值时，分析漏源电压源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的影响。的影响。V VDSDS的不的不同变化对沟道的影响同变化对沟道的影响, ,见右图。见右图。对对N N型沟道和型沟道和P P型衬底之间的型衬底之间的PNPN结来讲，结来讲，结上的偏置情况沿沟道方向发生变化。结上的偏置情况沿沟道方向发生变化。靠近源端处靠近源端处PNPN结为正偏，而在靠近漏端结为正偏，

17、而在靠近漏端处的那部分处的那部分PNPN结为反偏，因此，衬底和结为反偏，因此，衬底和沟道之间的沟道之间的PNPN结在靠近源端和靠近漏端结在靠近源端和靠近漏端处的耗尽层宽度是不同的。从而，沟道处的耗尽层宽度是不同的。从而，沟道的截面积也不相等，靠源端处沟道的截的截面积也不相等，靠源端处沟道的截面积最大，沿沟道方向逐步减小，靠漏面积最大，沿沟道方向逐步减小，靠漏断处的沟道截面积最小。断处的沟道截面积最小。漏源电压漏源电压VDS对沟道的影响对沟道的影响当当V VDSDS为为0 0或较小时，沟道分布如右或较小时，沟道分布如右图，此时图，此时V VDSDS 基本均匀降落在沟道基本均匀降落在沟道中，沿沟道

18、方向沟道截面积不相等中，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象很不明显，因此，源漏电流的现象很不明显，因此，源漏电流I IDSDS随随V VDSDS几乎是线性增加的。几乎是线性增加的。（1 1）线性区）线性区DSDSTGSOXnDSVVVVLWCI)21(随着随着V VDSDS的增加，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象的增加，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象逐步表现出来，漏端处的沟道变窄，沟道电阻增大，逐步表现出来，漏端处的沟道变窄，沟道电阻增大，使使I ID D随随V VDSDS变化变化趋势减慢，偏离直线关系。趋势减慢，偏离直线关系。（2）饱和区）饱和区q当当V VDSDS增加到使漏端沟道截面积减增

19、加到使漏端沟道截面积减小到零时，称为沟道小到零时，称为沟道“夹断夹断”。q沟道夹断后，若沟道夹断后，若V VDSDS再增加，增加再增加，增加的漏压主要降落在夹断点到漏之间的漏压主要降落在夹断点到漏之间的高阻区，此时，漏电流基本不随的高阻区，此时，漏电流基本不随漏电压增加，因此称为漏电压增加，因此称为饱和区。饱和区。出出现夹断时的现夹断时的V VDSDS称为称为饱和电压饱和电压V VDSatDSat，与之对应的电流为与之对应的电流为饱和漏电流饱和漏电流I IDSatDSat。2)(21TGSOXnDSVVLWCIq当然，随着当然，随着V VDSDS的增大，夹断的增大，夹断点逐步向源端移动，有效沟

20、道点逐步向源端移动，有效沟道长度将会变小，其结果将使长度将会变小，其结果将使I IDSDS略有增加，这是沟道长度调制略有增加，这是沟道长度调制效应。效应。（3 3）击穿区）击穿区饱和区后，饱和区后，V VDSDS继续增大到一定程度时，晶体管将进继续增大到一定程度时，晶体管将进入击穿区，在该区，随入击穿区，在该区，随V VDSDS的增加的增加I IDSDS迅速增大，直至迅速增大，直至引起漏衬底引起漏衬底PNPN结击穿。结击穿。（4 4）亚阈区）亚阈区当栅压低于阈值电压时，在实际的当栅压低于阈值电压时，在实际的MOSFETMOSFET中，由于中，由于半导体表面弱反型，漏电流并不为零，而是按指数半导

21、体表面弱反型，漏电流并不为零，而是按指数规律随栅压变化，通常称此电流为亚阈值电流，主规律随栅压变化，通常称此电流为亚阈值电流，主要由载流子（电子）的扩散引起。要由载流子（电子）的扩散引起。3 3、 衬底偏置效应衬底偏置效应 V VBSBS00，衬底加偏压后对，衬底加偏压后对MOSFETMOSFET的特性将有一系列的特性将有一系列的影响。的影响。 加衬偏电压后，即使加衬偏电压后，即使VDS0，沟道也处于非平衡状，沟道也处于非平衡状态，由于表面空间电荷区的宽度随着衬底偏置电压态，由于表面空间电荷区的宽度随着衬底偏置电压的增大而展宽，会有更多的空穴被耗尽，使表面空的增大而展宽，会有更多的空穴被耗尽，

22、使表面空间电荷区的面密度也随之而增大。因而要在半导体间电荷区的面密度也随之而增大。因而要在半导体表面产生同样数量的导电电子，必须加比平衡态更表面产生同样数量的导电电子，必须加比平衡态更大的栅源电压，阈值电压也就随偏置电压的增大而大的栅源电压，阈值电压也就随偏置电压的增大而增大。增大。 由于反型层电荷减少，沟道电导下降，衬底偏置将由于反型层电荷减少，沟道电导下降，衬底偏置将使使IDS下降。下降。4 4、MOSFETMOSFET的直流特性曲线的直流特性曲线（1 1）MOSFETMOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线反映了栅对漏源沟道电流的调控情况反映了栅对漏源沟道电流的调控情况转移特性曲线斜率转

23、移特性曲线斜率g gm m的大小反映了栅源电的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制压对漏极电流的控制作用。作用。g gm m也称为也称为跨导跨导跨导的定义式如下跨导的定义式如下: : gm=ID/VGS VDS=const（2 2）MOSFETMOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线四、四、MOSMOS场效应晶体管的种类场效应晶体管的种类 若栅电压为零时不存在导电沟道，必须在栅上施若栅电压为零时不存在导电沟道，必须在栅上施加电压才能形成反型层沟道的器件称为加电压才能形成反型层沟道的器件称为增强增强（常（常闭）闭）型型MOSFETMOSFET；若在零偏压下即存在导电沟道，；若在零偏压下即存在导电沟

24、道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件成为器件成为耗尽耗尽（常开）（常开）型型MOSFETMOSFET。 N N沟增强型、耗尽型沟增强型、耗尽型 P P沟增强型、耗尽型沟增强型、耗尽型1 1、n n沟和沟和p p沟沟按沟道载流子的类型来划分按沟道载流子的类型来划分nMOSFETnMOSFET：电子导电：电子导电 pMOSFETpMOSFET：空穴导电：空穴导电2 2、增强与耗尽、增强与耗尽V VGSGS=0=0，V VDSDS、V VBSBS一定值时一定值时 MOSFETMOSFET导通，导通，I ID D00，耗尽型，耗尽型 MOSFET

25、MOSFET不导通，不导通，I ID D=0=0，增强型，增强型五、五、MOSFETMOSFET的电容和频率特性的电容和频率特性 反型层或沟道的反型电荷反型层或沟道的反型电荷Q Qi i 沟道下面的耗尽区体电荷沟道下面的耗尽区体电荷Q QB B 栅极电荷栅极电荷Q QG G （Q QG GQ Qi iQ QB B） 由漏衬底、源衬底由漏衬底、源衬底PNPN结引起的电荷结引起的电荷MOSFETMOSFET的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件中的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件中的电荷存储效应引起的。的电荷存储效应引起的。MOSFETMOSFET中的存储电荷主要中的存储电荷主要包括包括：根据其特

26、性，可以将这些电荷分成根据其特性，可以将这些电荷分成本征本征部分和部分和非本征非本征部分部分。 在交流高频情况下，在交流高频情况下，MOSMOS器件对这些本征电容和非器件对这些本征电容和非本征电容电容充放电存在一定延迟时间。此外，本征电容电容充放电存在一定延迟时间。此外，载流子渡越沟道也需要一定的时间，这些延迟时载流子渡越沟道也需要一定的时间，这些延迟时间决定间决定MOSFETMOSFET存在使用频率的限制。存在使用频率的限制。截止频率截止频率f fT T截止频率定义为输入电流与交流短路输出电流相等时对应的频截止频率定义为输入电流与交流短路输出电流相等时对应的频率，记为率，记为f fT T。通常，把流过。通常，把流过C Cgsgs的电流上升到正好等于电压控制的电流上升到正好等于电压控制电流源电流源g gm mv vgsgs的频率定义为的截止频率，由此得到的频率定义为的截止频率，由此得到TCgsvgs=gmsvgsT=gm/Cgs fT=gms/(2Cgs)TGSnTVVLf243漏极电流对栅极信号电压的响应是通过载流子在沟道中的输运漏极电流对栅极信号电压的响应是通过载流子在沟道中的输运实现的，载流子从源到漏的运动需要一定时间、因而栅极加了实现的，载流子从源到漏的运动需要一定时间、因而栅极加了外来信号，