半导体器件物理-MOSFET2.ppt

1、西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 第四章 MOS场效应晶体管 MOSFET结构和基本工作原理,2020/9/16,1,场效应器件物理,2020/9/16,XIDIAN UNIVERSITY,4.1 MOSFET 结构,MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transistor MOS器件：四端器件，G、S、D、B 一般情况下，VBS=0，则成为三端器件 与JFET相比： 控制栅为MOS结构 源、漏掺杂与类型与衬底相反 简单看作：MOS电容和两个背靠背PN结构成,2020/9/16,4.1 MOSFET 结构,MOS

2、电容：外加VG， 氧化层下方半导体表面形成强反型层，连接SD区 强反型层-MOSFET的导电沟道 VDS在沟道上产生电场，载流子从源漂移到漏，被漏极收集形成ID 重要参数： 沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度. 沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度 栅氧厚度tox,2020/9/16,4.1 MOSFET MOSFET分类(1),n沟道MOSFET：NMOS P衬，n型反型层，电子导电 VDS0, ID0,p沟道MOSFET：PMOS N衬，p型反型层，空穴导电 VDS0, ID0,按照沟道载流子的导电类型分:,每种器件只有一种载流子参与导电单极性器件,2020/9/16,4.1

3、 MOSFET MOSFET分类(2),0栅压是否存在反型沟道分：,n沟耗尽型MOSFET 零栅压时已存在反型沟道， VTN0 加栅压VGSVTN, 沟道关闭,n沟增强型MOSFET 零栅压时不存在反型沟道， VTN0， 加栅压VGSVTN, 沟道开启,思考：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？,2020/9/16,4.1 MOSFET MOSFET分类(3),p沟增强型MOSFET 零栅压时不存在反型沟道 VTP0 加栅压VGSVTP, 沟道开启,p沟耗尽型MOSFET 零栅压时存在反型沟道 VTP0 加栅压VGSVTP, 沟道关闭,4.1 MOSFET MOSFET分类（4）,四

4、种类型MOS晶体管的电路符号,n沟、p沟的箭头：衬底与沟道之间可形成的场感应pn结的正偏方向 耗尽型：代表沟道区的线为实线，即VGS=0时已存在沟道 增强型：代表沟道区的线为虚线，即VGS=0时不存在沟道,4.1 MOSFET MOSFET分类（5）,四种类型MOS晶体管的的偏置条件,4.1 MOSFET MOSFET的阈值电压,VBS=0，即衬底接地； VGS 即为中间MOS电容两侧电势差 MOS电容VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压， 强反型层-MOSFET的导电沟道 VGSVT：半导体表面未形成强反型层，导电沟道未形成，器件截止 VGSVT：半导体表面形成强反型层，导电沟道形

5、成，器件导通 MOSFET的阈值电压VT：表面刚刚产生沟道所需的栅源电压 沟道内可动电荷Qn，面电荷密度Qn=COX(VGS-VT)： 只有VGS大于VT，表面才产生导电沟道，根据电容电压电荷关系得Qn,2020/9/16,n沟增强型,4.1 MOSFET I-V定性分析,偏置特点： VBS=0, 源衬短接；VGSVT ,沟道形成； VDS0，形成漏极电流ID，造成沟厚不等厚： VDS0沟道中从源到漏电位不断增大 沟道上一点X， VXS， X从S往D移动，VXS,VGX(=VGS-VXS) VGXVT, X点处才形成沟道,反型层可动电荷Qn(x)=COX(VGX-VT)， X从S往D移动， Q

6、n(x)不断，源端Qn(0)最大，漏端Qn(L)最小 沟道面电荷密度不相等可等效为沟道截面积不相等,2020/9/16,n沟增强型,2020/9/16,4.1 MOSFET ID随VDS的变化(1),线性区,VDS VDS (sat), VDS对Vox的抵消作用可忽略 反型层和耗尽层近似均匀沟道等效电阻不变 ID VDS（线性区）,2020/9/16,4.1 MOSFET ID随VDS的变化(2),过渡区,脱离线性区后，VDS , VDS对Vox的抵消作用不可忽略 沟道厚度不等沟道等效电阻增加 ID随VDS的增长率减小（过渡区）,2020/9/16,4.1 MOSFET ID随VDS的变化(3

7、),饱和点,饱和点： 沟道夹断点X： 反型层电荷密度刚好0VGX=VT, VGS-VXS=VT VXS=VGS-VT=VDS(sat),2020/9/16,4.1 MOSFET ID随VDS的变化(4),饱和区,原沟道区：导电沟道区和夹断区。电流被夹断了吗？ 导电沟道区可导电，又有电势差，所以有电流，根据电流连续性原理，整个器件的电流仍存在，大小由导电沟道区 决定 漂移到夹断点的电子在夹断区大电场的作用下被扫向漏极，形成ID 长沟MOSFET，L变化可略，导电区形状和该区上压降不变，ID保持刚夹断时的IDS(sat)不变，即饱和区内ID不随VDS的增加而增加,击穿区： VDS再继续 漏极和衬底

8、之间PN结反偏电压过大 导致pn结耗尽层内发生雪崩击穿，ID急剧增大，进入击穿区， 此时电压为BVDS 输出特性曲线：VGSVT的某常数时，ID随VDS的变化曲线,4.1 MOSFET I-V特性定性分析,n沟增强型MOSFET器件源漏ID-VDS特性曲线簇 VGS不同，ID随VDS变化物理过程与上述分析相同，曲线变化趋势也相同 VGS的影响： 非饱和区：VGS增大，Qn=COX(VGS-VT)增大，所以对同一VDS，ID增大 饱和点：VDS(sat)= VGS-VT，VGS增大，VDS(sat)也增大。 饱和区：VGS增大， Qn=COX(VGS-VT)增大，饱和电流也增大,4.1 MOSF

9、ET I-V特性定性分析,4.1 MOSFET I-V转移特性,转移特性曲线： VDS 为0的某常数时，ID随VGS的变化曲线 VGS增大， Qn=COX(VGS-VT)增大，饱和电流也增大,VGS,PMOSFET,NMOSFET,增强型NMOS,耗尽型NMOS,增强型PMOS,耗尽型PMOS,4.1 MOSFET I-V输出特性,4.1 MOSFET I-V特性定量分析,p型衬底、n型沟道MOSFET,0,沟道电流沿水平方向（X方向），栅与沟道之间电流=0 沟道电流为多子漂移电流，载流子迁移率为常数 缓变沟道近似（长沟器件），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，EX

10、为常数 沟道中可动面电荷密度 Qn(x)=COX(VGX-VT)沿X方向“缓变” 面电荷密度另一种表示Qn(x)=en(x)h(x) 式中h(x)为X处导电沟道的厚度,2020/9/16,4.1 MOSFET I-V特性:基本假设,4.1 MOSFET I-V特性定量分析,欧姆定律：dVx=IDdR(x), 根据定义Qn(x)=en(x)h(x)， 根据MOS结构Qn(x)=COX(VGX-VT),2020/9/16,4.1 MOSFET I-V特性:沟道电流,漏源电流强度 成立条件 非饱和区IV公式,2020/9/16,4.1 MOSFET I-V特性:线性区与饱和区,2020/9/16,4

11、.1 MOSFET I-V特性:提高器件ID驱动能力的途径,同一个IC中，不同晶体管的COX以及VT相同，控制不同MOS器件 沟道的W/L可控制电流大小。 L最小值取决于工艺水平. 在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS,材料参数,设计参数,工艺参数,2020/9/16,4.1 MOSFET 和VT的测试提取方法,高场下迁移率随电场上升而下降,存在亚阈值电流,n沟耗尽型,n沟增强型,2020/9/16,4.1 MOSFET 跨导:模型,跨导：VDS一定时，漏电流随VGS变化率： 又称晶体管增益: 表征FET放大能力的重要参数，反映了VGS 对 ID 的控制能力 单位 S(西门子)，一般为

12、几毫西 (mS),2020/9/16,4.1 MOSFET 跨导:表达式,器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？ VGS一定时，饱和区跨导线性区跨导,2020/9/16,4.1 MOSFET 跨导:提高途径,增大(W/L)，（通过版图设计保证） 增大COX，（减小氧化层厚度；采用高k介质） 增大(VGS-VT)，（增大VGS，减小VT）,2020/9/16,4.1 MOSFET （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,2020/9/16,4.1 MOSFET 源漏间的有效电阻Rds,源漏间的有效电阻Rds: 沟道电导的倒数 线性区导通电阻：表明线性区导通能力 饱和区输出电阻 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 同增加饱和区跨导的途径,2020/9/16,4.1 MOSFET 衬底偏置效应(1),0,必须反偏或零偏,P衬最低电位 N衬最高电位,4.1 MOSFET 衬底偏置效应(2),源衬结能带图：衬底0势能参考点 阈值反型点时，反型层沟道连接源漏， VDS=0，沟道和源区电子势能近似相等, 沟道区电势能=-es VSB=0时，源区电势=VD, 阈值反型点, 半导体s=2fp, 2fp VD VSB0时，源区电势=VD+VSB, 阈值反型点, 半导体s VD+VSB=2fp+VSB