半导体物理与器件(1)

1、2022-2-25.半导体物理与器件半导体物理与器件XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽张丽第第1111章章 MOSFET MOSFET基础基础1.2 C-V1.2 C-V特性特性1.3MOS1.3MOS管原理管原理2022-2-25.1.2 C-V特性特性 本节内容本节内容n理想理想MOS电容的电容的CV特性特性n氧化层电荷对氧化层电荷对CV特性影响特性影响n界面态概念及对界面态概念及对CV特性影响特性影响2022-2-25.1.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性特性MOS电容电容C=dQ/dV=Cox与与Cs的串联的串联dVdQ

2、C 器件电容定义器件电容定义:相当于金属电容与半导体电容串联相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小电阻越串越大，电容越串越小2022-2-25.1.2 C-V特性特性 理想理想MMOSOS电容电容C-VC-V特性特性电容电容-电压特性测试曲线电压特性测试曲线直流电压：决定器件工作点，调整大小使直流电压：决定器件工作点，调整大小使MOS先后处于堆积、平带、先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态耗尽、本征、反型几种状态交流电压：幅值比较小，不改变交流电压：幅值比较小，不改变S的状态的状态测量电源：测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。外加栅压，在直流电

3、压上叠加一交流小信号电压。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 堆积状态堆积状态加直流负栅压，堆积层电荷能够跟得上交流小加直流负栅压，堆积层电荷能够跟得上交流小信号栅压的变化。信号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。公式：面电荷密度随表面势指数增加。oxoxoxtCC)acc( 2022-2-25.1.2 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VFB，使半导体表，使半导体表面能带无弯曲面能带无弯曲asoxoxoxoxFBeNekTttC2022-2-25.1.2 C-V特性特性 耗

4、尽状态耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容压的变化而变化，出现耗尽层电容CSD)dep( CxVdGC相当与相当与Cox与与Csd串联串联2022-2-25.1.2 C-V特性特性 强反型状态强反型状态CV特性测量直流偏压加交流信号，特性测量直流偏压加交流信号，VG变化，半导体表面电荷变化，半导体表面电荷变化由谁来贡献？变化由谁来贡献？与交流信号的频率有关。与交流信号的频率有关。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 反型层电荷来源反型层电荷来源2022-2-25 反型层电荷来源：（热运动产生的少子）反型

5、层电荷来源：（热运动产生的少子）1 1、P P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+ +漂移）漂移）2 2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。热运动：电子从价带激发到导带，产生自由电子和空穴，热运动：电子从价带激发到导带，产生自由电子和空穴， （电子热运动挣脱共价键束缚的过程）（电子热运动挣脱共价键束缚的过程）半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生和复合。半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生和复合。栅压正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程栅压正向变化对应电子产生过

6、程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间少子的产生复合过程需要时间 。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号频率相关：反型层电荷是否跟得上信号变化与信号频率相关：2022-2-25.1.2 C-V特性特性 强反型状态强反型状态( (低频低频) )oxoxoxtCC)inv( 加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：直观：相当于栅介质平板电容相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。公式：面电荷密度随表面势指数增加。中反型：近似认为中反型：近似

7、认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区2022-2-25.1.2 C-V特性特性 反型状态反型状态( (高频高频) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( Hz1005fMHz1f加较大的直流正栅压：加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对耗尽层电荷对C有贡献。总电容？有贡献。总电容？交流小信号：交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱

8、。总电容值？总电容值？2022-2-25.1.2 C-V特性特性 n n型与型与p p型的比较型的比较p型衬底型衬底MOS结构结构n型衬底型衬底MOS结构结构2022-2-25.1.2 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:因为因为Qss均为正电荷均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电界面的正电asoxoxoxoxFBeNekTttCQss使得使得S表面处于任状态时与无表面处于任状态时与无Qss相比相比VG都左移，都左移，Qss不是栅压的函数，栅压改变不影响不是栅压的函数，栅压改变不影

9、响Qss大小，移量相等。大小，移量相等。2022-2-25.1.2 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EFS之下）带负电，不被电子占据（在之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性之上）为中性被电子占据（在被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在之下）为中性，不被电子占据（在EFS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界面电荷是栅压的函数：栅压会改变界面电荷是栅压的函数：栅压会改变S S表面的表面

10、的E EF F相对位置相对位置2022-2-25.2022-2-251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影响界面陷阱的影响: :本征本征本征态本征态本征态：界面电荷不带电，本征态：界面电荷不带电，对对C-VC-V曲线无影响曲线无影响禁带中央：禁带中央：CV曲线实虚线重和曲线实虚线重和2022-2-25.2022-2-251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影响界面陷阱的影响: :本征前本征前本征之前：本征之前：EFiEF，总有施主态在总有施主态在EFSEFS之之上，施主态上，施主态失去电子界面陷阱带正电。失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左

11、移量随栅压不等曲线左移，左移量随栅压不等- - - - - -+ 例图例图:需要额外牺牲三个负电荷需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电来中和界面态的正电本征态本征态- - - 2022-2-25.2022-2-25本征之后：本征之后： EFi场效应晶体管场效应晶体管2022-2-25.1.3MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET结构结构L ：沟道长度：沟道长度W ：沟道宽度：沟道宽度tox ：绝缘层厚度：绝缘层厚度 绝缘栅场效应晶体管（绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET）：）： 栅极与其它电极之间是相互绝缘的。栅极与其它电极之间是相互绝缘的。 金属金属-

12、绝缘体绝缘体-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管(MISFET)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分类分类(1)(1) n沟道沟道MOSFET：NMOSp型衬底，型衬底，n型沟道，电子导电型沟道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏，使电子从源流到漏p沟道沟道MOSFET：PMOSn型衬底，型衬底，p型沟道，空穴导电型沟道，空穴导电VDS0n沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET(D型：型：Delption)零栅压时已存在反型沟道，零栅压时已存在反型沟道，VPN02022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分类分类(3)(3) p

13、沟道沟道增强型增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，零栅压时不存在反型沟道，VTP0由于氧化层中正电荷及功函由于氧化层中正电荷及功函数差等关系，数差等关系，N型无论怎样掺型无论怎样掺杂都不能做出耗尽管，这时杂都不能做出耗尽管，这时需要掺些需要掺些P型杂质型杂质思考：氧化层中的正电荷对思考：氧化层中的正电荷对这四类管子阈值电压的影响这四类管子阈值电压的影响2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分类分类(4)(4)n按载流子类型分：按载流子类型分： NMOS；PMOS: n按导通类型分：按导通类型分： 增强型；耗尽型：增强型；耗尽型：n四种四种MOS晶体管：

14、晶体管： N沟增强型；沟增强型；N沟耗尽型；沟耗尽型；P沟增强型；沟增强型；P沟耗尽型沟耗尽型2022-2-25.1.3MOSFET原理原理 VGS的作用的作用开表面强反型，沟道开启0I:DGSTVV关闭表面非强反型，沟道关0I:DGSTVV）放大（沟道开启条件下DGSIVVT:刚刚产生沟道所需的栅源电压刚刚产生沟道所需的栅源电压VGSvGS 越大，沟道载流子越多越大，沟道载流子越多,在相同的在相同的vDS作用下，作用下，ID越大。越大。2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 V VDSDS的作的作用用VDS的作用：的作用：n形成沟道电流：形成沟道电流：NMOS(VDS0)PMOS(

15、VDSVT, VDSVT, VDS(VGS-VT) ，恒流区（压控电流源）。恒流区（压控电流源）。 （III）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。（IV）截止区）截止区: VGS线性区跨导线性区跨导器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨导影响因素跨导影响因素无关与饱和区（DSTGSTGSoxnmssatDSDSVVVVVLCWgVV)()( .VGS较小：较小：与与VGS无关，无关，gms VGS .VGS较大：较大：VGS=表面散射表面散射=；gms随随VG

16、S而而变缓变缓 .V.VGSGS为一较大值：为一较大值： 1/(V 1/(VGSGS-V-VT T), g), gmsms随随V VGSGS达到最大达到最大 IV.V IV.VGSGS很大：很大： g gmsms随随V VGSGS而而VGS=表面散射表面散射=mg2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨导影响因素跨导影响因素:R:RS S、R RD D的影响的影响 Rs对对MOS管跨导影响管跨导影响Rs降低了跨导（晶体管增益），而且降低了跨导（晶体管增益），而且Rs越大，降低程度越大越大，降低程度越大Rs=0,VGS=VGS;Rs不等于不等于0,VGS=VGS-ID*RS;2022

17、-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨导跨导: :提高途径提高途径oxpnoxsmtLWQoxpnLtWg表面平整度），111（）100优选晶面（)(沟沟：优优选材料体表面材料参数材料参数设计参数设计参数工艺参数工艺参数在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS降低串联电阻降低串联电阻RS2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 （沟道电导）漏导（沟道电导）漏导: :模型模型常数GSVDSDdVIg无关与非饱和区（含线性区，DSGSTGSoxndLDSDSTGSoxnDsatDSDSVVVVLCWgVVVVLCWIVV)()(22)02)(

18、趋于无关与饱和区（dsDSdsTGSoxnDsatDSDSrVgVVLCWIVV, 0)()2)(沟道电导（漏导）：沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随漏源电压的变化率一定时，漏电流随漏源电压的变化率表明线性区导通能力（导通电阻）表明线性区导通能力（导通电阻）器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？）（）（导通电阻：TGSOXTGSVVWCLVVR1on2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 漏导漏导: :影响因素影响因素RS，RD：SD电极间电阻增加，电导下降电极间电阻增加，电导下降无关与非饱和区（含线性区，DSGSTGSoxndLsat

19、DSDSVVVVLCWgVV)()0)(? )(1)()(effdDsmddDDsDSDSDsgRRgggIRRVVRR的影响增加线性区沟道电导的途径？增加线性区沟道电导的途径？非饱和区漏导等于饱和区跨导非饱和区漏导等于饱和区跨导)()(TGSoxnmssatDSDSVVLCWgVV饱和区（Rs=0, RD=0，VDS=VDSRs, RD不等于不等于0,VDS=VDS-ID*(RS+RD)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 需掌握需掌握内内容容n电流电压关系电流电压关系推导推导n理解缓变沟道近似理解缓变沟道近似n线性区和饱和区线性区和饱和区IV关系的推导关系的推导n跨导定义、公式

20、和影响因素跨导定义、公式和影响因素n沟道电导定义、公式和影响因素沟道电导定义、公式和影响因素)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，当2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(1)(1)0必须反偏或必须反偏或零偏零偏Vsb=Vs-Vb0,即即Vb更负（这样才反偏）更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来的电子全跑掉了在沟道源端感应出来的电子全跑掉了2022-2-25.2022-2-251.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(2)(2)VSB0源区电势能源区电势能=-e(VD+VSB)VSB=0源区电势

21、能源区电势能=-eVD源衬结能带图：衬底源衬结能带图：衬底0势能参考点势能参考点反型时，反型时，V VDSDS=0=0，反型层沟道连接源漏，沟道和源区电子势能近似相等，反型层沟道连接源漏，沟道和源区电子势能近似相等V VSBSB=0=0时，半导体时，半导体s近似等于源衬结内建电势差近似等于源衬结内建电势差V VD DV VSBSB 0 0时，半导体时，半导体s近似等于近似等于V VD D+V+VSBSB2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(2)(2)2(220(max)fpasSDfpsSBNeQV)2(220(max)SBfpasSDSBfpsSBVNeQVV衬底偏压衬底偏压反型条件反型条件耗尽层电荷耗尽层电荷VSB0，源区电势能源区电势能=-e（VD+VSB)DfpV22022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(4)(4)负的耗尽层电荷更多负的耗尽层电荷更多VSB的存在使阈值电压增加，的存在使阈值电压增加，且且VSB越大，越大，VT越大越大msf