半导体物理-chapter第六章MOS场效应晶体管

主要内二、MOSFET的工作半导体器件物 电子与信息学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MOS集成电路。在数字集成电路，尤其是微处理机和器方面，MOS集成此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器半导体器件物 电子与信息学促进MOS(d半导体器件物 电子与信息学MOSFETMOS场效应晶体管的结MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝半导体器件物 电子与信息学MOS场效应晶体管是四端器件B(substrate若若栅极材料用金属铝，则称“铝栅”器件若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前分 。半导体器件物 电子与信息学NMOSNMOSN＋LW。对于对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方半导体器件物 电子与信息学MIS MIS半导体器件以P半导体的MIS结构为当栅上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的（空穴），在半导体表面形成积累层耗随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”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，即反型层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。半导体器件物 电子与信息学形成反型层的条 半导体器件物 电子与信息学VG继续增大，使表面能级EF与本征能级Ei相等时，表面电子浓度开始要超过空穴浓度，表面将从P型转为N型，称为“弱反型”。发生弱反型时电子浓度仍旧很低，并不起显半导体器件物 电子与信息学当表面势达到势的此时，栅极电压VG称为阈半导体器件物 电子与信息学VG继续增大，耗尽层电荷QB和表面势Vs＝VF基本不再VG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。PP型半导体的表面反型层由电子构成，称为N同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P半导体器件物 电子与信息学能带向下弯曲2qVF，即表面势达 势的两倍Vs施加在栅电极上的电压VG为阈值电压 VT2VF B2VF

(40SiNAqVF)QBCoxMISC0CTT半导体器件物 电子与信息学MOSFET的直流特阈值电平带电压在实际的MOS结构中，栅氧化层中往往存在电（Qfc），金属—半导体功函数差Vms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子的能量E0和能级之差），因此，当VG＝0时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，这个外VFB

C C半导体器件物 电子与信息学NNa可移动离子电荷 mK氧化物固定电荷Q 氧化物陷阱电 ++++ 界面陷阱电SiOSi热氧化硅形成的SiSiO2系统中的各类电荷半导体器件物 电子与信息学阈值电

QBC C

Qfc

半导体器件物 电子与信息学MOSFET的电流－电压关MOSFET：当MOSFET沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产生压降，使MOS结构处于非平衡状态，N型沟道的厚度、能带连同其 能级沿y方向均随着电压的变化发。半导体器件物 电子与信息学漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作当VGS＞VT，且固定为某一值时，分析漏对N型沟道和P型衬底之间的PN结来讲，结上的偏置情况沿沟道方向发生变化。靠近源端处PN结为正偏，而在靠近漏端处的那部分PN结为反偏，因此，衬底和沟道之间的PN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，靠漏半导体器件物 电子与信息学

漏源电压

DS对沟道的（I）线性当VDS为0或较小时，沟道分布如右图，此时VDS基本均匀降落在沟道中，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 W 1 随着VDS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，IDVDS半导体器件物 电子与信息学（II）饱和 1 W V 半导体器件物 电子与信息学（III）击穿VDSVDSIDSPN半导体器件物 电子与信息学 应为 。在 漂流D的相同方法导D

~eVGVTID

必须将MOSFET偏置在比 低0.5V（实例）或更低的电压值，以 值区电流减小到可以忽略不计半导体器件物 电子与信息学摆幅(s):ID-VG曲线斜率的倒数，室温下理想值是60mV/dec。半导体器件物 电子与信息学衬底偏置效VBS≠0MOSFET的增大而展宽，会有的空穴被耗尽，使表面空I半导体器件物 电子与信息学MOSFET转移特性曲线斜率转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制gm=ID/VGSMOSFET半导体器件物 电子与信息学长沟道理论假定沟道长度大到足可以忽略边缘效应，因而沿沟道边缘的“边缘”效应可以忽略，用缓变沟道近似对器件进行一维分析。如果器件的沟道长度小到可以与源结和漏结的耗尽层宽度相比拟时，源结和漏结的耗尽区将对沟道内电势分布有着显著的影响，不能再用缓变沟道近似来处理，而要用二维分析。同时沟道内自由载流子的漂移速度将达到饱和,将偏离了长沟器件特性的种种现象总称为短沟道效应。具体来说，短沟道效应主要指(1)阈值电压随沟道长度的下降而下降；(2)沟长缩短以后，漏源间高电场使迁移率下降，跨导下降；(3)弱反型漏电流将随沟道长度半导体器件物 电子与信息学半导体器件物 电子与信息学的电子上，或终止在耗尽

ADxWLCxADxWLCxdMCBSi/SiO2VDS＝0n+半导体器件物 电子与信息学若将这种边缘效应考虑在内，VDS≈0条件下，表面耗尽区占有的空间变成截面为梯形的立方体。与不考虑边缘效应相比，表面耗尽区总电荷量减少，于是真正受到栅极控制的表面空间电荷区将随沟长的缩短而减小，引起dox越大，Cdox越大，Cox越小，阈值电压变化越大，短沟道效应越大，为减小短沟道效应，衬底浓度越低，xdm越大，短沟道效应越结深xj越大，短沟道效应越有效阈电压与沟道长度半导体器件

电子与信息W窄沟道效

沿沟道宽度方向的表面耗尽区窄沟道效应发生于沟道宽度变小的MOSFET中，窄沟道效于沟道宽度方向边缘上表面耗尽区的侧向扩展，这种侧向扩展与栅电极在沟道区以外场氧化膜上的覆盖有直接关系。上图代表铝栅MOST的一种典型情况，为了将栅电极引出，沟道两侧覆盖区的长度不均等。由于场氧化膜的厚度远大于栅氧化膜的厚度，栅极电压使沟道区强反型时，栅电极下场区一般处于耗尽或弱反型，其耗尽区厚度小于强反型区，由此形成如上图所表示的表面耗尽区分布。若考虑表面耗尽区的侧向扩展，栅电极上正电荷发出的场强线除大部分终止于栅氧化层下耗尽区电离受主以外，还有一部分场强线终止于侧向扩展区电离受主，结果是使终止于反型层的场强线数目减少，沟道电荷减少，电阻半导体器件物 电子与信息学影响沟道迁移率的晶格散射和表半导体器件物 电子与信息学饱和漏源电压及饱和漏电流都小于长沟理论预示值②IDsat与（VG－VT）间不呈现平方关系，而近似是线性变化，饱和区跨导近似等于常沟道载流子水平方向漂移速度vy，低场区vy正比于|Ey|，迁移率等于常数；随着|Ey|增大，vy上升逐渐变慢直至|Ey|增加到极限散射漂移临界场强，载流子漂移速度达到最大值—：v

|Ey

|E|率(不考率(不考虑寄生因素)，ECvy |Ey|半导体器件物 电子与信息学长沟长沟MOSFET的漏电流饱和机构是沟道漏端夹断。短沟器件漏电流饱和机构不同于长沟器件。沟道中随水平方向场强增加，载流子漂移速度逐渐趋向饱和，一旦增加到临界场强，vy达到vsl就不再增大，这叫做漂移速度饱和。短沟MOSFET由于沟道短，一定VDS之下的沟道水平方向场强高，所以更有可能出现漂移速度饱和。半导体器件物 电子与信息学当v(y)=vsat时,沟道面积减小，不可能再通过增加载流子的漂为了维持电流的连续性，在沟道变窄区将有的电子注入，形成电子积累；同理，在沟道突然变宽处，形成电子耗尽。于是继续增加的漏源电压将降落在静电偶极层上，使漏电流提前体器件

电子与信息速度饱和效应对短沟道MOSFET的输出特性的影长沟道度未饱

短沟速度饱半导体器件物 电子与信息学漏场感应势垒下降(DIBL(DIBL)＝DrainInducedBarrier短沟道器件，由于源和漏扩散区互相靠近，它们之间的空间间隔有可能不够容纳两个耗尽区，VDS＞0时，从漏区发出的场强线的一部分一直到源区，漏区增加的电荷不仅对靠近漏区的沟道及耗尽区有影响，而是对整个栅极下面半导体沟道长度越短，VDS越大，贯穿的电力线越多，势垒降低的也就越多，这一现象称为DIBL效应。源漏两区之间的势垒降低ID。考虑DIBL效应，可以解释短沟道MOSFET中出现的两个重要现半导体器件物 电子与信息学第一个现象是衬偏电压等于常数时有效阈值电压随VDS增加而下降。随VDS增加，势垒明显地降低，由源区注入沟道区的电子增加，沟道导电能力更强，对于给定的VGS，实际上就是有效阈电压下降。L越短，VT越小半导体器件物 电子与信息学另一个现象是指定VGS之下，短沟MOST的 值电流随VDS增加而增大(长沟器件中，VDS>3kT/q时，IDsub不随VDS的变化而改变)。衬 值电流是由越过源端势垒注入到沟道区的电子流形成的，势垒高注入量 根据DIBL效应，短沟器件的势垒高度受VDS控制，因而IDsub随的变化而改变。随L的缩短IDsub增加，转移特性斜率的倒数S将增大。在沟长很短时，ID随VGS的变化很小，或者说VGS已不再能控制ID，此时MOSFET已不能截止，但此时ID则与VDS有依赖关半导体器件物 电子与信息学ΔIDΔIDIDIΔIDID长沟 值特性的最小沟道长

ID及ΔID随1/LMOSFET①测量导通状态下漏电流随1/L的变化关系。长沟器件ID与1/L间满足线性变化关系，偏离线性关系即意味着出现短沟ID-1/L10％的L②测量电流随VDS的变化。长沟器件应当满足VDS＞3kT/q时，IDsub不随VDS变化，在两个指定的VDS之下测出的IDsub若不相等，则发生了短沟道效应，一般将电流相对变化增加10L半导体器件物 电子与信息学热载流子效应Hotelectroneffects半导体器件物 电子与信息学沟道漏附近能量较大的电子称为热电子，热电子若具有能克服Si～SiO2间势垒（约3.1eV）的能量，就能进入栅氧化层。这些电子中的一部分从栅极流出构成栅极电流IG，其余部分则陷在SiO2的电子陷阱中。这些电子将随时间而积累，长时期后将对MOSFET的性能产生如下影VT向正方向漂移，即VT因界面态密度增大而导 电流IDsub的增大半导体器件物 电子与信息学由于热电子效IG成比例，所以可用测IG的大小来推算热电子效应的大IGVDS、VGSL有关。IG随VDS的增加而增加。对于VGSVGS=VDS附近出现峰值。IGL的缩短而增加。半导体器件物 电子与信息学MOS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增强（闭）型MOSFET；若在零偏压下即存在导电沟道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的MOSFET。NP沟增强型、半导体器件物 电子与信息学1、n沟和p按沟道载流子的类型来划 ：电子导 pMOSFET：空穴导2MOSFET不导通，ID=0半导体器件物 电子与信息学MOSFETMOSFET的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件中的电荷效应引起的。MOSFET中的：反型层或沟道的反型电荷沟道下面的耗尽区体电荷栅极电荷QG由漏－衬底、源－衬底PN根据其特性，可以将这些电荷分成本征部分和非本征半导体器件物 电子与信息学在交流高频情况下，MOS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，载流子渡越沟道也需要一定的时间，这些延迟时MOSFET半导体器件物 电子与信息学截止频率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fT。通常，把流过Cgs的电流上升到正好等于电压控制gmvgsωTCgsvgs=gmsvgs→ωT=gm/Cgs 3n V 4 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。半导体器件物 电子与信息学MOSFET半导体器件物 电子与信息学TheIdealMOS半导体器件物 电子与信息学

衬底的栅的变沟道的源漏的SOISilicon-On-Insulator(SOI)SOI技术是指先形成一种“单晶硅薄膜--衬底材料”的结构，然后采用平面工艺衬底绝缘的单晶硅薄层 集成电路CMOSversusSOI半导体器件物 电子与信息学半导体器件物 电子与信息学金属金属新型栅栅新型栅栅的高K半导体器件物 电子与信息学双栅MOSFET和三栅半导体器件物 电半导体器件物 电子与信息学FinFET的结传统的MOS器件都是属于平面结构，电流的大小受其空间的限制，为了用更小尺寸的器件得到更大的电流，可以考虑将沟道设计成三维结构，这样在同样的沟道长度下电流的横截