半导体器件物理课件第六章.ppt

1、第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管,1,6.1电容 6.2电容电压特性 6.3基本工作原理 6.4频率限制特性 6.5技术 6.6MOSFET概念扩展,6.1 MOS电容,6.1.1 能带图 6.1.2 耗尽层厚度 6.1.3 功函数差 6.1.4 平带电压 6.1.5 阈值电压 6.1.6 电荷分布,3,6.1 MOS电容 MOS电容结构,氧化层厚度,氧化层介电常数,Al或高掺杂的多晶Si,n型Si或p型Si,SiO2,4,实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000A O:250A S:约0.51mm）,5,6.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1),负栅压情形,导带底能级,禁带

2、中心能级,费米能级,价带顶能级,6,6.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),小的正栅压情形,大的正栅压情形,(耗尽层),(反型层+耗尽层),7,6.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1),正栅压情形,8,6.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2),小的负栅压情形,大的负栅压情形,9,6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形,费米势,表面势,表面空间电荷区厚度,半导体表面电势与体内电势之差,半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示,采用单边突变结的耗尽层近似,P型衬底,10,6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形,阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空

3、穴浓度,表面空间电荷区厚度,P型衬底,表面电子浓度：,体内空穴浓度：,栅电压=阈值电压,表面空间电荷区厚度达到最大值,11,6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形,阈值反型点条件： 表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压,表面空间电荷区厚度,表面势,n型衬底,12,6.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图,金属的功函数,金属的费米能级,二氧化硅的禁带宽度,二氧化硅的电子亲和能,硅的电子亲和能,绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，,13,6.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,条件：零栅压， 热平衡,零栅压下氧化物二侧的电势

4、差,修正的金属功函数,零栅压下半导体的表面势,修正的硅的电子亲和能,二氧化硅的电子亲和能,14,6.1 MOS电容 功函数差:计算公式,内建电势差：,15,6.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅(P-Si),0,近似相等,n+掺杂至简并,简并：degenerate 退化，衰退,16,6.1 MOS电容 功函数差:p掺杂多晶硅栅(P-Si),p+掺杂至简并,0,17,6.1 MOS电容 功函数差:n型衬底情形,负栅压的大小,18,6.1 MOS电容 平带电压:定义,MOS结构中半导体表面能带弯曲的原因 金属与半导体之间加有电压（栅压） 半导体与金属之间存在功函数差 氧化层中存在净的空间电荷

5、 平带电压 定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压 来源：金属与半导体之间的功函数差，氧化层中的净空间电荷,单位面积电荷数,金属上的电荷密度,19,6.1 MOS电容 平带电压:公式,Vox0+s0=- ms,零栅压时：,单位面积电荷数,金属上的电荷密度,20,6.1 MOS电容阈值电压:公式,阈值电压： 达到阈值反型点时所需的栅压,表面势=费米势的2倍,|QSDmax|=e Na xdT,忽略反型层电荷,21,费米势,表面耗尽层最大厚度,单位面积表面耗尽层电荷,单位面积栅氧化层电容,平带电压,阈值电压,6.1 MOS电容 n型衬底与p型衬底的比较,p型衬底MOS结构,n型衬底MOS结构,

6、阈值电压典型值,金属-半导体功函数差,22,23,6.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,6.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,堆积,平带,耗尽,弱反型,强反型,24,6.2 C-V特性什么是C-V特性？,平带,电容-电压特性,25,6.2 C-V特性 堆积状态,加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容,26,6.2 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,27,6.2 C-V特性 耗尽状态,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,C相当与Cox与Csd串联,28,6.2 C-V

7、特性 强反型状态(低频),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,29,6.2 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,30,6.2 C-V特性 反型状态(高频),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，只有耗尽层电容对C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。,栅压频率的影响,31,6.2 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,所以平带电压更负,32,6.3MOSFET基本工作原理,MOS结构 电流电压关系概念 电流电压关系推导 跨

8、导 衬底偏置效应,33,6.3 MOSFET原理 MOSFET结构,N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,1. 结构,2.符号,3.基本参数,沟道长度 L(跟工艺水平有关) 沟道宽度 W 栅氧化层厚度 tox,34,6.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1),n沟道MOSFET,p型衬底，n型沟道，电子导电 VDS0，使电子从源流到漏,p沟道MOSFET,n型衬底，p型沟道，空穴导电 VDS0，使空穴从源流到漏,按照导电类型的不同可分为：,35,6.3 MOSFET原理 MOSFET分类(2),n沟道增强型MOSFET,零栅压时不存在反型沟道，VTN0,n沟道耗尽型MOSFET,零

9、栅压时已存在反型沟道，VTN0,按照零栅压时有无导电沟道可分为：,36,6.3 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,p沟道耗尽型MOSFET,零栅压时已存在反型沟道，VTP0,37,增强型：栅压为0时不导通 N沟（正电压开启 “1”导通） P沟（负电压开启 “0”导通）,耗尽型：栅压为0时已经导通 N沟（很负才关闭） P沟（很正才关闭）,38,6.3.2 N 沟道增强型 MOS 场效应管工作原理,1. VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响,(1) VGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压

10、，总是不导电。,当VGS 逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？,39,(2) VGS 0逐渐增大,栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 VGS 耗尽层变宽。,当VGS继续升高时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。,-,-,-,-,由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型导电沟道。这时，在VDS的作用下就会形成ID。,40,阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。,阈值电压,MOS场效应管利用VGS来控制

11、半导体表面“感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。 MOSFET是一种电压控制型器件。 MOSFET能够工作的关键是半导体 表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。,41,2. VDS对导电沟道的影响(VGSVT),c.VDS=VGSVT，即VGD=VT： 靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。VDS=VDSat,b.0VT: 导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。,VDS 0，但值较小时： VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀,d.VDSVGSVT，即VGDVT： 夹断区发生扩展，夹断点向源端移动,42,3 . N 沟道增强型 MOS 场效应

12、管的特性曲线,1）输出特性曲线(假设VGS=5V),输出特性曲线,饱和区,ID=IDSat,43,VT,2）转移特性曲线(假设VDS=5V),a. VGS VT 器件内不存在导电沟道，器件处于截止状态，没有输出电流。,b. VGS VT 器件内存在导电沟道，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟道导电能力越强，输出电流越大,转移特性曲线,44,4. N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,1） N沟道耗尽型MOS场效应管结构,1、 结构,2、 符号,45,2）基本工作原理,a. 当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示,b. 当VGS

13、0时，ID进一步增加。,c. 当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。,46,47,小 结,按照导电类型分MOS管分为NMOS和PMOS。 按照零栅压时有无沟道又分为增强型和耗尽型两种形式。 NMOS和PMOS结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类型刚好相反。,特性曲线：输出特性曲线(非饱和区、饱和区、击穿区) 转移特性曲线(表征了VGS对ID的控制能力),工作原理：VGS：耗尽 弱反型 强反型 VDS ：减薄 夹断 扩展,耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点。,定性分析,48,6.3 MOSFET

14、原理 I-V特性:基本假设,沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件） 栅氧化层中无电流 缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上 的电场变化远大于平行于沟道方向上 的电场变化 (近似认为方向为常数) 氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO2界面处的有效电荷密度 耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数 沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关 衬底与源极之间的电压为零,49,6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,50,6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,电流密度: (漂移电流密度为),6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,X方向的电流强度：,反型层中平行于沟道方向的电场

15、：,52,6.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性条件,53,高斯定理,相互抵消,E5=E6=0，即使有也相互抵消,E30,表面所在材料的介电常数,某闭合表面,沿闭合表面向外法线方向的电场强度,该闭合表面所包围区域的总电荷量,6.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷,54,6.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场,氧化层电势,半导体表面空间电荷区的单位面积电荷,氧化层中垂直于沟道方向的电场,由上三式可得反型层单位面积的电荷,不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）,55,6.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区,56,6.3 MOSFET原理 p沟增强型MOS

16、FET的I-V特性,57,6.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):模型,跨导用来表征MOSFET的放大能力：,令,材料参数,设计参数,工艺参数,影响跨导的因素：,58,6.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1),0,必须反偏或零偏,Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）,在沟道源端感应出来的电子全跑掉了,59,6.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)能带图,衬底偏压 表面准费米能级 反型条件 耗尽层电荷,不同衬偏电压条件下的能带图：,60,6.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)阈值电压,需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大,体效应系数,61,6.4 频率限制

17、特性 交流小信号参数,源极串联电阻,栅源交叠电容,漏极串联电阻,栅漏交叠电容,漏-衬底pn结电容,栅源电容,栅漏电容,跨导,寄生参数,本征参数,62,6.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路,共源n沟MOSFET小信号等效电路,总的栅源电容,总的栅漏电容,与ID-VDS曲线的斜率有关,63,6.4 频率限制特性 简化的小信号等效电路,低频条件下只计入rs,只计入本征参数,低频条件下只计入rds,64,6.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素,限制因素2：对栅电极或电容充电需要时间,限制因素1：沟道载流子从源到漏运动需要时间,沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素,对Si MOSFET，饱

18、和漂移速度,65,6.4 频率限制特性 电流-频率关系,负载电阻,输入电流,输出电流,对栅电容充电需要时间,消去电压变量VD,66,6.4 频率限制特性 密勒电容等效,67,截止频率：电流增益为1时的频率。,提高频率特性：提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；,68,6.4 频率限制特 截止频率推导,小结 1,MOS电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFET导通时工作在强反型状态. 栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。 表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处

19、于强反型的栅压为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。 C-V曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平移，界面陷阱使C-V曲线变缓. MOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。,69,小结 2,MOSFET可以分为n沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。 特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流-电压特性的主要方式。跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。 根据

20、MOSFET的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；根据MOSFET的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区和饱和区。 影响MOSFET频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。 CMOS技术使n沟MOSFET和p沟MOSFET的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。,70,6.6 MOSFET概念的深入,6.6.1非理想效应 6.6.2 MOSFET按比例缩小理论 6.6.3 阈值电压的修正 6.6.4 附加电学特性 6.6.5 辐射和热电子效应*,71,6.6.1 非理想效应 亚阈值电流: 定义,亚阈值电流,7

21、2,6.6.1 非理想效应 亚阈值电流: 比较,施加小的漏电压时，n沟道MOSFET沟道表面势示意图,堆积状态：势垒很高电子无法跃过无法形成表面电流,弱反型状态：势垒较低电子有一定的几率越过势垒形成亚阈值电流,强反型状态：势垒极低大量电子越过势垒形成沟道电流,73,6.6.1 非理想效应 亚阈值电流: 电压特性,IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。,74,6.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:机理,75,6.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:模型1,视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展,76,6.6.1

22、非理想效应 沟道长度调制效应:模型2,77,6.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:影响因素,ID的实测值高于理论值,在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加,78,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(1),表面散射,79,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(2),体迁移率(典型值600cm2/Vs, NMOS）,表面迁移率,典型值0.03,有效迁移率：,有效迁移率经验表达式：,80,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:漂移速度与电场的关系,峰值电场强度,峰值漂移速度,饱和漂移速度,81,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:Si的情形,低场：迁移率不随E而变,

23、高场：迁移率随E增加而下降,强场：迁移率与E成反比,82,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:GaAs、InP的情形,与Si相比，GaAs、InP的特点： 存在漂移速度峰值 迁移率大 存在负微分迁移率区 饱和漂移速度小,83,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:速度饱和效应,漏源电流下降,提前饱和,饱和漏源电流与栅压成线性关系,饱和区跨导与偏压及沟道长度无关,截止频率与栅压无关,84,6.6.1 非理想效应 弹道输运,非弹道输运MOSFET 沟道长度L0.1m，大于散射平均自由程； 载流子从源到漏运动需经过多次散射； 载流子运动速度用平均漂移速度表征； 弹道输运MOSFET 沟道长度L0.1m

24、，小于散射平均自由程； 载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运； 高速器件、纳米器件；,85,6.6.2 按比例缩小 为什么要缩小MOSFET尺寸?,提高集成度：同样功能所需芯片面积更小 提升功能：同样面积可实现更多功能 降低成本：单管成本降低 改善性能：速度加快，单位功耗降低,若尺寸缩小30，则 栅延迟减少30，工作频率增加43 单位面积的晶体管数目加倍 每次切换所需能量减少65，节省功耗50,86,完全按比例缩小(Full Scaling) 尺寸与电压按同样比例缩小 电场强度保持不变 最为理想，但难以实现,6.6.2 按比例缩小 缩小方式,恒压按比例缩小(Fixed Voltage

25、 Scaling) 尺寸按比例缩小，电压保持不变 电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重,一般化按比例缩小(General Scaling) 尺寸和电场按不同的比例因子缩小 迄今为止的实际做法,87,6.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:规则,88,6.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:结果,89,6.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:小结,90,6.6.3 阈值电压修正 VT与L、W的相关性,91,6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:表面空间电荷 短沟道效应,92,6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:L的计算,源-体结空间电荷区宽度,表面空间电荷区宽度,漏-体结空间电荷区

26、宽度,源、漏pn结结深,93,若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少,6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:VT的计算,94,6.6.3 阈值电压修正 VT随W的变化:表面电荷 窄沟道效应,95,若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加,6.6.3 阈值电压修正 VT随W的变化:VT的计算,96,6.6.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:原理,p型半导体表面注入受主杂质Na（如B）半导体表面净掺杂浓度表面更难以反型VT,受主注入剂量（单位面积注入的离子数）,注入前的阈值电压,p型半导体表面注入施主杂质Nd（如P）半导体表面净掺杂浓度表面更容易反型VT,施主注入剂量（单位面积注入的离子数）,注入前的阈值电压,97,6.6.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:注入杂质分布,1、Delta函数型分布,2、阶跃函数型分布,3、高斯函数型分布： 更接近实际情况，分析较复杂。,平均注入掺杂浓度,注入前的掺杂浓度,平均注入掺杂浓度,注入前的掺杂浓度,注入深度,反型时，xdTxI,VT由DI决定；,98,6.6.4 击穿特性 MOSFET主要击穿机构,。,漏