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1、微电子器件原理,第七章 MOS场效应晶体管,2,第七章 MOS场效应晶体管,7.1 基本结构和工作原理 7.2 阈值电压 7.3 I-V特性和直流特性曲线 7.4 频率特性 7.5 功率特性和功率MOSFET结构 7.6 开关特性 7.7 击穿特性 7.8 温度特性 7.9 短沟道和窄沟道效应,3,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,一、MOSFET的基本结构,二、MOSFET的基本工作原理,三、MOSFET的分类,4,一、MOSFET的基本结构,N沟道增强型MOSFET结构示意图,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,图7-1 n沟MOSFET结构示意图,5,一、MOSFET的基本结构
2、,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,6,7,一、MOSFET的基本结构,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,8,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,9,二、MOSFET的基本工作原理,MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,当栅极加有电压0VGSVT时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流ID。,7.1 MOS
3、FET基本结构和工作原理,图7-2 MOSFET的物理模型,10,二、MOSFET的基本工作原理,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,11,二、MOSFET的基本工作原理,栅源电压对沟道的影响,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,12,二、MOSFET的基本工作原理,漏源电压对沟道的影响,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,13,三、MOSFET的分类,7.1 MOSFET基本结构和工作原理,14,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,三、关于强反型状态,15,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈
4、值电压表达式,MOSFET的阈值电压VT是栅极下面的半导体表面呈现强反型，从而出现导电沟道时所加的栅源电压。,1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压,图7-5 MOS结构强反型时的能带图(a) 和电荷分布(b),16,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,2.强反型条件,强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内平衡多子浓度的状态 表面势：半导体表面的电势VS,17,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,2.强反型条件,半导体表面能带弯曲至表面势等于两倍费米势
5、时，半导体表面呈现强反型状态。,18,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,图7-6 表面电子浓度与表面势的关系,19,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,3.理想MOS结构的阈值电压,表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构 忽略氧化层中电荷的影响 不计金属-半导体功函数差 理想MOS结构的阈值电压,20,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,3.理想MOS结构的阈值电压,21,22,7.2 MOSFET的阈值电压,一、MOSFET的阈值电压表达式,4.实际MOS结构的阈值电压,平带电压
6、VFB,栅源电压： 抵消金-半之间接触电势差 补偿氧化层中电荷 建立耗尽层电荷（感应结） 提供强反型的2倍费米势,23,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1、VDS,2、VBS,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,24,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的因素,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,25,26,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1.偏置电压的
7、影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,Cox为MOS结构栅下氧化层的电容，与介电常数及介质层厚度有关。,Cox越大，单位电压的变化引起的电荷变化越大，或阈值电压越小 制作薄而致密的优质氧化层，可在一定程度上达到提高Cox的目的 选用高介电常数材料，如Si3N4、Al2O3并用SiO2过渡以减少界面 态，形成所谓MNOSFET和MAOSFET,27,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,功函数：某种材料的费
8、米能级与真空中自由电子能级之差 修正功函数：在MOS结构中，金属和半导体中费米能级与SiO2导带边缘的能量差 电子亲和势：从导带到真空的电势能，对于半导体，在表面处将一个导带底上的电子移到真空中所需做的功，即c=E0-Ec,28,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,可见，半导体功函数（修正功函数）与掺杂浓度有关，反映在En或费米势上（费米能级EFS的位置），每2个数量级约0.1V（eV),29,每2个数量级约0.1V（eV),30,金属与半导体的功函数（
9、修正功函数）各不相同，当它们形成MOS结构时，为满足热平衡时费米能级处处相等的要求，将在半导体表面引起能带弯曲,31,为消除功函数差引起的能带弯曲以使硅中无电场，所需“另加的”栅压就是功函数差（修正功函数差）对应的电压平带电压（中的Vms),32,符号问题,例子：,Al-p-Si(NA=1014cm-3) MOS结构,接触后，金属电位高于半导体，相当于正电压作用，使表面能带向下弯曲。欲使之平直，需在金属侧加一负压,在n沟MOSFET中在正的阈值电压中减去Vms，相当于正的Vms已使能带下弯，再加上一点正压使表面势达到2倍费米势即可。同样，Qox0，则也应减去相应电压,33,34,7.2 MOS
10、FET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,NA(ND)通过费米势（以及功函数）影响VT,每2个数量级约0.1V(eV) 影响不大,35,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,NA(ND)通过场感应结耗尽层空间电荷影响VT,体效应系数,36,衬底杂质浓度越大，其变化对VT的影响越大，是因为杂质浓度越大，越不易达到表面强反型。 同时可见：
11、tox通过Cox影响VT,图7-10 衬底杂质浓度对阈值电压的影响,37,衬底反偏VBS通过NA(ND) 影响QBmax，从而改变VT,即不同的 NA下，VBS对VT的影响也不同,38,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,图7-11 衬底偏置电压所产生的阈值 电压漂移随衬底浓度的变化,39,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,衬底杂质浓度N可以通过F、Vms及QBmax影响VT，其中影响最大者为QBmax，故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部N来调
12、整VT,Ns为注入剂量,综上所述：,40,7.2 MOSFET的阈值电压,二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析,1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差ms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响,界面态电荷（界面陷阱电荷）,半导体表面晶格周期中断，存在“悬挂键”（高密度局部能级）。束缚电子带负电荷，俘获空穴则带正电荷。 这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态 其带电状态与能带弯曲有关，且有放电驰豫时间，应尽量降低其密度,图7-12 SiO2-Si系统中的电荷,41,固定氧化物电荷,可动离子电荷,电离陷阱电荷,位于界面SiO2侧20nm的区域
13、内，密度约1011cm-2，带正电荷。 一般认为是界面附近存在未充分氧化的Si离子过剩硅离子及氧空位 特点：固定正电荷，不随表面势或能带弯曲程度而变化 与硅掺杂浓度及类型无关，与SiO2膜厚度无关 与生长条件（氧化速率）、退火条件和晶体取向有关,起因于进入SiO2层中的Na+、K+、Li+等轻碱金属离子及H+离子 特点：室温可动，温度和电场作用可使之移动。,X-射线、射线、高能/低能电子束等照射SiO2膜时产生电子-空穴对，若同时存在电场，则电场使电子-空穴分离，正栅压的电场使部分电子移向栅极并泄放，多余空穴在未被硅侧电子补偿时积聚在界面附近形成正电荷层,42,43,上述4种电荷的作用统归于Q
14、ox等效电荷 电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷 由Vms、Qox及N的共同作用使器件呈增强型或耗尽型 对n-MOS：Qox若较大，则易为耗尽型。欲得增强型，需控制Qox，并适当提高衬底浓度 对p-MOS：VT总是负值，易为增强型。欲得耗尽型，需采用特殊工艺或结构，如制作p预反型层，或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3 /SiO2复合栅等。,44,当NA1015cm-3时， VT随NA上升明显，且逐渐由负变正 随Qox增大，转变点对应的NA增大 当Qox1012cm-2时，即使NA1017cm-3，仍有VT0)，可以
15、提高衬底浓度NA 降低氧化层中电荷量Qox,图7-13 室温下Al栅MOS结构VT随N、Qox变化的理论曲线（VBS = 0）,45,7.2 MOSFET的阈值电压,三、关于反型程度划分的讨论,在以前的讨论中，以表面势达到2倍费米势，即反型层载流子浓度等于体内多子浓度为表面强反型的标志 实际上，MOS器件工作在不同的栅压下，其反型程度和反型载流子浓度变化规律也不同,图7-6 表面电子浓度与表面势的关系,46,47,MOS结构中半导体表面电荷密度与表面势的关系,48,图7-14 耗尽层及反型层电荷及其总电荷 与表面势的关系曲线,49,弱反型区dVs/dVGB较大，且近似为常数，而强反型时斜率变得
16、很小，中反型区过渡,综上所述：,1、Vs=2F时，ns=pB0，但Qn很小，故在前述讨论中忽略是合理的 2、 Vs=2F时，Qn很小，以至在中反型区内变化缓慢，其屏蔽作用 和xdmax的真正实现都有较大误差。故当VGB较大时，假定Vs=2F进入强反型，才不会引入太大误差。 3、强反型需要Qn的屏蔽作用，使xd xdmax。 Vs=2F时，ns=pB0是以所用衬底的浓度为标准，若NA很低，则ns也将很小，故是相对标准，不能保证屏蔽作用。,图7-15 表面势与栅-衬底电压的关系,50,图7-16 单位面积反型层电荷与栅-衬底电压的关系,51,7.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线,一、MOSFET的电流-电压特性,三、MOSFET的特性曲线,四、MOSFET的直流参数,二、弱反型（亚阈值）区的伏安特性,52,7.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线,一、MOSFET的电流-电压特性,目的：,方法：,获得IDS随VGS和VDS的变
