场效应器件物理原理

1、场效应器件物理原理第1页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 本节内容理想MOS电容的CV特性氧化层电荷对CV特性影响界面态概念及对CV特性影响第2页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 什么是C-V特性MOS电容C=dQ/dV=Cox与Cs的串联器件电容定义:相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小第3页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 理想MOS电容C-V特性电容-电压特性测试曲线直流电压：决定器件工作点，调整大小使

2、MOS先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态交流电压：幅值比较小，不改变半导体的状态测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。第4页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 堆积状态加直流负栅压，堆积层电荷能够跟随交流小信号栅压的变化。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。第5页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 平带状态所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲第6页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9

3、/61.2 C-V特性 耗尽状态加小的正栅压，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CSDC相当与Cox与Csd串联第7页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 强反型状态阈值反型点： CV曲线分高低频。原因：和反型层电荷的来源密切相关。第8页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 反型层电荷来源2022/9/6 反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1、P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+漂移）2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。半导体始终存在热运动过程，不

4、断有电子空穴对的产生复合。热运动：电子从价带激发到导带，电子热运动挣脱共价键束缚的过程交流信号正向变化对应电子产生过程，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 。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号变化快慢相关：第9页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 强反型状态(低频)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。中反型：近似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第10页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星

5、期二2022/9/61.2 C-V特性 反型状态(高频)加较大的直流正栅压：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，只有耗尽层电荷对C有贡献。总电容？交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？第11页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构第12页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 氧化层电荷的影响- - - - - + 例图:因为Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电Qss使得S

6、表面处于任状态时与无Qss相比VG都左移.但每一状态下的C并不会发生变化：(例CFB始终不变) 每个状态VG变，不改变vg对QS的作用VG移量相等: Qss不是栅压的函数，栅压改变不影响Qss大小- - - 第13页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.2 C-V特性 界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）界面电荷是栅压的函数? 栅压会改变半导体表面的EF相对位置界面态：半导体界面处禁带宽度中的电子能态。第14页，共67页，2022年，

7、5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征本征态本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响禁带中央：CV曲线实虚线重和第15页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征前本征之前：EFiEF，总有施主态在EFS之上，施主态失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等- - - - - -+ 本征态- - - 陷阱电荷使得S表面处于本征之前任状态时VG都左移. 每一状态下的C并不会发生变化：(例CFB始终不变)VG左

8、移量随栅压不等例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电第16页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/6本征之后： EFi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MIS（Metal-Insulated-Semiconductor）黑（灰）色部分可以理解为两种材料界面或空间电荷区，一般书中不画。第20页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3MOSFET原理 MOSFET结构沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度.沟道宽度W：与沟长垂直的水

9、平方向的源漏区宽度栅氧厚度tox MOS电容：外加VG， 氧化层下方半导体表面可能形成反型层，连接SD区，就是MOSFET的导电沟道。第21页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1) n沟道MOSFET：NMOSp沟道MOSFET：PMOS分类方法1：按照沟道载流子的导电类型分沟道电流： VGSVT，加VDS NMOS(VDS0)；PMOS(VDS0n沟道耗尽型MOSFET(D型：Delption)零栅压时已存在反型沟道，VTN0问题：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？ 分类方法2：0栅压

10、是否存在反型沟道分第23页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3) p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP0思考：N衬表面若不进行专门的P型掺 杂，能否形成耗尽型PMOS? 第24页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 MOSFET分类(4)四种MOS晶体管 N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型第25页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3MOSFE

11、T原理 VGS的作用VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压。强反型层存在-MOSFET的沟道存在。VT：刚刚产生沟道所需的栅源电压VGSvGS 越大，沟道载流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。第26页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 VDS的作用场感应结：n型沟道和P型衬底。VDS使沟道上压降从源到漏增加，场感应结反偏压增加，耗尽层增 厚，栅上电压不变，反型层厚度渐2022/9/6VDS的作用：（VGSVT）形成沟道电流： NMOS(VDS0)PMOS(VDSVTN,VDS0沟道形成形成沟道电流：对VG

12、S起抵消作用：沟道从源到 漏厚度渐第28页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(1)线性区第29页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(2)过渡区第30页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(3)饱和点沟道夹断点X：反型层电荷密度刚好近似=0 VGX=VT,VXS=VDS(sat)第31页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3

13、 MOSFET原理 ID随VDS的变化(4)饱和区第32页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/6 1.3 MOSFET原理 转移特性曲线n沟道MOSFETp沟道MOSFETVGSVGSVGS 越大，沟道载流子越多，在相同的漏源电压VDS作用下，漏极电流ID越大。反型层形成后，因反型层在G和B间起屏蔽作用，即VGS变，电荷由S和D提供，非衬底。第33页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 输出特性曲线四个区：（I） 线性区： VGSVT, VDSVT, VDS(VGS-VT) ，恒流区（压控电流源）。 （I

14、II）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。（IV）截止区: VGS线性区跨导器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？第50页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 跨导影响因素 .VGS较小：与VGS无关，gms VGS .VGS较大：VGS=表面散射=；gms随VGS而变缓 .VGS为一较大值： 1/(VGS-VT), gms随VGS达到最大 IV.VGS很大： gms随VGS而第51页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 跨导影响因素:RS、RD的影响 Rs对MOS管跨导影响

15、，gmeffRs降低了跨导（晶体管增益），而且Rs越大，降低程度越大Rs=0, VGS=VGS;Rs不等于0, VGS=VGS+ID*RS;第52页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 跨导:提高途径材料参数设计参数工艺参数在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS降低串联电阻RS第53页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 （沟道电导）漏导:模型沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随VDS的变化率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？第54页

16、，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 漏导:影响因素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第55页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 漏导:RS,RD影响RS，RD：SD电极间电阻增加，电导下降Rs=0, RD=0，VDS=VDSRs, RD不等于0,VDS=VDS-ID*(RS+RD)Rs，RD对MOS管跨导影响，gdeff第56页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 需掌握内容电流电压关

17、系推导理解缓变沟道近似线性区和饱和区IV关系的推导跨导定义、公式和影响因素沟道电导定义、公式和影响因素第57页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1)0必须反偏或零偏 IC中衬底电位的接法第58页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)VSB0源区电势能=-e(VD+VSB)VSB=0源区电势能=-eVD源衬结能带图：衬底0势能参考点阈值反型点时，VDS=0，反型层沟道连接源漏，沟道和源区电子势能近似相等 VSB=0

18、时，半导体s（2fp）近似等于源衬结内建电势差VD VSB0时，半导体s近似等于VD+VSB=2fp+VSB沟道区电势能=-es第59页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)衬底偏压反型条件耗尽层电荷VSB0，源区电势能= -e（VD+VSB)第60页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/62022/9/61.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)VSB的存在使负的耗尽层电荷更多，VT增加，且VSB越大，VT越大第61页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(5)第62页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(6)第63页，共67页，2022年，5月20日，22点7分，星期二2022/9/61.3 MOSFET原理 背栅定义 衬底能起到栅极的作用，称“背栅” VBS改变了耗尽层和反型沟道层的电荷分配之比，从而控制了IDS。VGS若不变，VBS变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化，反型沟道电荷变化，则