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1、2015/4/8 1 第 2章 CMOS集成电路中的基本元件 第 2章 CMOS集成电路中的基本元件 2.1 硅材料的基本特性 2.2 MOSFET器件 2.3 CMOS集成电路中的无源元件 2 2.1 硅材料的基本特性 2.1.1 载流子和费米能级 2.1.2 pn结 2.1.3 MIS(MOS)结构 3 2.1.1 载流子和费米能级 Si的 原子核 外 有 4个价电子。 如果价电子摆脱共价键的束缚 ， 成为自由运动的电子， 则 在原来共价键上就留下一个空位 ，称为空穴。 半导体就是依靠电子和空穴的移动来导电的，通常电子和空穴被统称为载流子。 4 2.1.1 载流子和费米能级 引入杂质原子，
2、硅的电导率可以改变几个数量级。 当引入 V族元素的原子 ，它们 替代了一部分硅原子的位置，其中 4个价电子形成共价键，还有一个电子成为可以移动的自由电子。这种杂质叫施主杂质 。 n型硅 主要靠施主提供的电子导电 5 2.1.1 载流子和费米能级 当引入 III族元素的原子， 3个价电子 形成 共价键 ，还 留有一个空位可以接受电子。这种杂质叫受主杂质 。 p型硅 主要靠受主提供的空穴导电 当施主数量超过受主时，硅晶体就是 n型 ； 反之，则是 p型。 6 2015/4/8 2 2.1.1 载流子和费米能级 能级 ： 电子所处的能量水平 大量原子构成晶体 ：“ 共有化 ”，能级变成能带 导带、价
3、带、禁带、禁带宽度 Eg 7 2.1.1 载流子和费米能级 费米能级 EF：反映 电子填充水平的统计结果 本征费米能级 (EF=Ei) 本征载流子浓度 ni 1.5 1010cm-3 8 2.1.1 载流子和费米能级 费米能级和载流子浓度的关系式表示为 费米能级越低，空穴浓度越高，趋向 p型；费米能级越高，电子浓度越高，趋向 n型。 费米能级的高低决定着电子的流动和平衡。 2expexpFiiiFiiEEnnkTEEpnkTn p n 9 2.1.2 pn结 未接触时 ： (EF)n(EF)p 接触后 ： 空穴从 p区到 n区、电子从 n区到 p区 (扩散 ) 空间电荷区 ： p区一侧形成负电
4、荷区 ， n区一侧形成正电荷区 10 2.1.2 pn结 内建电场 ， 接触电势差 (自建势 ) 在内建电场作用下，少数载流子做漂移运动 。 载流子的漂移和扩散运动最终达到平衡 。 空间电荷区中能带弯曲，费米能级 各处相同 。 21 ln DAbi F Fnp iNNkTV E Eq q n 11 2.1.2 pn结 电流电压特性 理想 pn结的电流与外加电压的关系式为 其中， IS称为 pn结反向饱和电流。 exp 1S qVII kT 正向偏压时， 减弱了势垒区中的电场强度 ， 扩散电流大于漂移电流，出现净的正向电流。 expS qV kTI I VkT q ， ()12 2015/4/8
5、 3 2.1.2 pn结 电流电压特性 反向偏压时，提高 了势垒区中的电场强度 ， 漂移电流大于扩散电流 。 反向电流等于 n区少子空穴和 p区少子电子的扩散电流之和。 单向导电性 (整流特性 ) VB： 击穿电压 ， pn结所能承受的反向偏压的上限 。 ( 0)SI I V ， 13 2.1.2 pn结 电容 电势差增加时，空间电荷区电场增强，正负电荷增加，有一部分载流子 (n区电子和 p区空穴 )流出，空间电荷区宽度由 Xm增为 Xm+Xm。 电势差减小时，空间电荷区电场减弱，正负电荷减少，有一部分载流子流入，空间电荷区宽度由 Xm减为 XmXm 。 空间电荷区电容 (势垒电容 )： CT
6、 14 2.1.3 MIS(MOS)结构 MIS： 金属绝缘层半导体 MOS： 金属氧化物半导体 加 偏压 VG后， 金属中电荷分布在一个原子层的厚度范围之内 ，半导体中电荷分布在一定厚度的空间电荷区内。 S： 表面势 ， 空间电荷区两端的电势差 15 2.1.3 MIS(MOS)结构 多子积累 对于 p型半导体形成的 MOS结构 ，当 VG0时，栅极上产生少量正电荷，空穴被排斥出半导体表面区域，表面形成耗尽层。 半导体内部电势比表面低， S0，表面处能带向下弯曲。越趋近表面，空穴浓度 越 低 ， 价带顶 Ev越远离费米能级 EF。 17 2.1.3 MIS(MOS)结构 表面反型 正向偏压继
7、续增大 (VG0)，表面处少子（电子）浓度超过多子（空穴）浓度 ，形成 反型层 。 S=F，表面处费米能级基本和本征费米能级 Ei重合 。 p型衬底费米势 lniF AF iEE NkTq q n 18 2015/4/8 4 2.1.3 MIS(MOS)结构 强反型 强反型 ： 表面少数载流子浓度超过体内多数载流子浓度 临界条件为 p型半导体表面 出现 n型沟道，可形成电流。 2SF19 2.1.3 MIS(MOS)结构 n型半导体形成的 MIS(MOS)结构 类似， 只是电荷、电场、电势的符号相反，两种载流子的地位交换 。 (p型沟道 ) 以强反型为例： 20 2.1.3 MIS(MOS)结
8、构 电容 MOS电容可以看作两部分电容的串联 ： 1 1 1ox siC C C Cox是 SiO2为介质的平行板电容器的单位面积电容，Csi是半导体耗尽层单位面积电容 。 00,ox siox siox dCCtx 21 2.1.3 MIS(MOS)结构 电容电压特性 理想情况： VG0且 VG较小时，多子耗尽， 随 VG的增大 xd增大 、 C减小。 VG继续增大 时 ，强反型 ， C=Cox(低频 )， C不断减小至 Cmin(高频 )。 22 2.1.3 MIS(MOS)结构 电容电压特性 实际情况： 半导体和栅材料具有不同的功函数 W； 氧化层中往往存在电荷 Qss。 引入平带电压
9、VFB， 即 C=CFB时， VG=VFB。 平带电压的计算： m s ssFB oxW W QV qC23 2.2 MOSFET器件 2.2.1 MOSFET器件结构 2.2.2 MOSFET器件特性 2.2.3 MOSFET按比例缩小理论 2.2.4 小尺寸 MOSFET的二级效应 2.2.5 MOSFET的 SPICE器件模型 24 2015/4/8 5 2.2.1 MOSFET器件结构 源区 S、漏区 D、栅极 G、衬底区 (体区 )B 沟道长度 L、沟道宽度 W、栅氧化层厚度 tox 对于 NMOS管，漏源之间加偏压后，电位低的一端为源，电位较高的一端为漏。 25 2.2.1 MOS
10、FET器件结构 VT： 阈值电压 ， 使半导体表面达到强反型所加的栅电压 VDS： 漏源电压， 使得 电子从源极向漏极运动形成导通电流 ID： 漏电流 (通常以漏极为输出 ) 增强型： 必须在栅上施加电压才能形成沟道 耗尽型 ： 栅电压为零时 即 存在导电沟道 26 2.2.1 MOSFET器件结构 四种基本类型 四端元件： 箭头从衬底指向沟道的为 NMOS管 (p型指向 n型 ) 三端元件： 箭头指向源端的为 NMOS管 IEEE： PMOS的栅极加圆圈 27 2.2.1 MOSFET器件结构 四种基本类型 四种类型的比较 类 型 衬底掺杂 源漏区 掺杂 沟道 载流子 漏源电压 阈值电压 n
11、沟增强型 p n+ 电子 正 VT0 n沟耗尽型 p n+ 电子 正 VT0 28 2.2.2 MOSFET器件特性 讨论长沟道 MOSFET模型 阈值电压 电流 电压关系 亚阈值电流 瞬态特性 29 2.2.2 MOSFET器件特性 阈值电压 VT： 沟道区源端半导体表面达到强反型 时 所需栅压 (假定 VS=VB=0) 分为三部分： 一部分形成表面势 S=2F(强反型 )； 一部分降在栅氧化层上 Vox 一部分为 平带电压 VFB。 00 22 2 2B m s io x B m A d m s i A F d m Fo x AQV Q q N x q N xC q N ， ， ；30 2
12、015/4/8 6 2.2.2 MOSFET器件特性 阈值电压 MOSFET阈值电压由下式决定： 决定 因素：栅电极材料、栅氧化层厚度和质量、衬底掺杂浓度 衬偏效应 (体效应 )： 衬底偏压 VBS导致阈值电压变化 当 VBS为负值时，耗尽层变宽，表面耗尽层电荷增加，阈值电压增大。 2 BmT FB F oxQVV C 022Bm si A F BSQ qN V 31 2.2.2 MOSFET器件特性 阈值电压 考虑体效应后 的 阈值电压 衬底偏压为零时的阈值电压 也可表示为 体效应的避免与利用 00222 ()T T F BS FSi AoxV V VqNC ，体 效 应 系 数0 22T
13、FB F FVV 32 例题 2.2-1 考虑标准 0.13m CMOS工艺下 NMOS管，零衬偏时阈值电压 VT=0.3V，栅氧厚度为tox=260nm，衬底掺杂浓度 NA=2 1017cm-3，衬底接地。如果源极 VS=0.3V时，室温下 NMOS管阈值电压变化多少？ 33 00222 ()T T F BS FSi AoxV V VqNC ，体 效 应 系 数例题 2.2-1 计算体效应系数 室温下热电压 kT/q=0.026V，本征载流子浓度ni=1.5 1010cm-3，计算费米势 F 当 VS=0.3V时， VBS=0.3V时，计算考虑了体效应的阈值电压 VT 34 00222 ()
14、T T F BS FSi AoxV V VqNC ，体 效 应 系 数例题 2.2-1 计算体效应系数 室温下热电压 kT/q=0.026V，本征载流子浓度ni=1.5 1010cm-3，计算费米势 F 当 VS=0.3V时， VBS=0.3V时，计算考虑了体效应的阈值电压 VT 35 00222 ()T T F BS FSi AoxV V VqNC ，体 效 应 系 数2.2.2 MOSFET器件特性 电流 -电压关系 对于 NMOS，通常 VS=VB=0， VDS0。 随着 VGS和 VDS的增大，依次经过截止区、线性区、饱和区 、 击穿区。 截止区 ： 0VT=0.3V)、 VDS=0.2V(VT=0.3V)、 VDS=1.0V(VGS-VT=0.7V)时， NMOS管处于饱和区，饱和区电流 图 2.2-5是 SPICE模拟获得的该 NMOS管的电流电压特性曲线示意图，这个曲线也叫M
