半导体器件——第四章综述

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1、半导体器件 第四章 场效应晶体管 场效应晶体管 栅极采用PN结结构 栅极采用MOS结构 结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管 4.2 绝缘栅型场效应晶体管 4.2.1 理想MOS结构 金属氧化物半导体结构,构成MOS管。MOS结构是绝缘栅型场效应晶体 管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极,栅电压的正负是相对硅衬 底电压而言的。 理想MOS管平衡态的能带图 1、 理想MOS结构的特征 (1)零偏条件下,金属与 半导体的功函数差为0,即 功函数:费米能级与真空能级之间的能量差 理想情况下,平衡态时MOS 结构的能带图没有发生弯曲 。 金属的功函数表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的

2、最小能量。 功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱,功函数越大,电子越不容易离开金属。 (2)在任何直流偏置下,绝缘层内无电荷且绝缘层,完全 不导电。 (3)绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。 2、 理想MOS结构在非平衡态时的能带图 VG 0时,金属费米能级 相对于半导体费米能级 下降qVG。 能带弯曲的方向与费米 能级变化的方向相同。 半导体表面能带向下弯曲。 在半导体与氧化物的界面 处(即,能带发生弯曲的 区域),费米能级更远离 价带,意味着该区域空穴 浓度降低。 界面处出现了多数载流子的耗尽。 + VG 0时,理想MOS管的能带图 VG 0时,金属费米能 级相对于半导体费米能 级进

3、一步下降。 半导体表面能带进一步 向下弯曲。 栅压增大到一定值时, 半导体表面处费米能级 高于本征费米能级。表 面处电子浓度超过空穴 浓度。此时半导体表面 出现“反型”。 若反型层内电子浓度较低,称为“弱反型”; 若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时,称为“临界强反型”。 通常认为,半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。 + 从MOS管电容理论,理解半导体表面的反型 正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内,同时把半导体 体内的电子吸引到表面区域,p型硅衬底表面(硅衬底与绝 缘层界面处)的电子浓度升高,出现反型。 P 表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时,为临界强反 型。此时,半导体表面形成导

4、电沟道,沟道中电子为多子 ,因此称为n沟道。 3、 理想n型衬底上MOS结构的能带图 (a)平衡态 (b)表面积累 + (c)表面耗尽(d)表面反型 4、 表面势 表面势是用于表征半导体表面能带弯曲程度的参数。 对于p型半导体: 若sp0,表面空穴积累; 若s0,则能带向下弯, 表面耗尽或反型; (耗尽:表面仍为p型, ps0,但较小,靠近绝缘层的半导体表面处于耗尽状态。源漏 之间仍然不导通。 VG增大到一定值时,半导体表面开始反型,绝缘栅下出现电子层。 当栅压增大到足以使半导体表面临界强反型时,反型层内电子 浓度足够大,形成导电能力较强的n型导电沟道,此时,导电沟道 将n型源漏连接起来,源漏

5、处于开态。 若处于弱反型状态,n型沟道的导电能力较差,源漏之间仍处于关 态; 阈值电压 半导体表面发生临界强反型时所加的栅极电压VG称为MOSFET的 阈值电压,用VT表示。 沟道开启以后,若继续增大VG,沟道中电子浓度按指数规律增加, 沟道的导电能力迅速增大,在源漏电压不变的情况下,源漏之间的 电流迅速增大。 转移特性 固定源漏电压VSD,源漏电 流ID随VG的变化关系,称 为MOSFET的转移特性。 输出特性 VGSVT为参量,源漏电流 ID随VDS的变化关系,称为 MOSFET的输出特性。 VDS很小时(VT的条件下,越大,反型沟道中的载流子浓度越高, 对应的源漏电流ID越大。 输出特性

6、转移特性 阈值电压 源漏饱和电压 源漏击穿电压 4.2.3 影响MOSFET阈值电压的因素 1、对阈值电压的理解 临界强反型:反型层中的电子 浓度与半导体体内多子浓度相等。 即s=2f ,半导体表面进入 临界强反型状态。 当表面电子浓度与体内多子浓度 相等时: Ei(体内)-EFs= EFs - Ei(表面) 2、理想MOSFET的阈值电压 半导体耗尽层上的分压: 这部分电压引起半导体 表面能带弯曲。 绝缘层上的分压: 这部分电压不能 引起半导体表面 能带弯曲。 栅氧层的性质(氧化层的介电常数 、厚度、面积等)会影响阈值电压 的大小。 衬底的性质(掺杂浓度、本征载流子 浓度)会影响阈值电压的大

7、小; 3、金属半导体功函数差对MOSFET阈值电压的影响 实际情况下,金属功函数与半导 体功函数会存在一定的差值。 实际情况下,在平衡态时,半 导体表面能带已经发生了弯曲。 实际情况下,在平衡态时,半 导体表面能带偏离了理想情况。 通过外加电压,恢复成理想情况 能带无弯曲(平带)。 使能带恢复为平带的外加电压 称为平带电压。 平带电压的大小等于金属半导体的功函数差 4、氧化层及界面电荷对MOSFET阈值电压的影响 氧化层及界面电荷的存在会使半导体表面产生电 场,能带发生弯曲,偏离理想情况。需要施加平 带电压,恢复成能带无弯曲的情况。这种情况下 ,平带电压的大小与绝缘层中电荷数相关。 影响MOS

8、FET阈值电压的因素主要有: 1、半导体衬底性质掺杂浓度NA、本征载流子浓度ni; 综上MOSFET阈值电压的表达式: 2、绝缘层电容大小绝缘层介电常数、厚度、面积; 3、金属半导体的功函数差; 4、绝缘层中电荷数量。 5、MOSFET的分类 n沟道、p沟道导电沟道类型 增强型、耗尽型栅压为0时,源漏是否导通 4.2.4 MOSFET的电流-电压关系 栅宽 栅长 载流子的迁移率 绝缘层电容 非饱和区: 饱和区: 进入饱和区后,电流 几乎不再受源漏电压的 影响,在VGS一定值时, 漏极电流保持恒定。 该电流值等于B点的电 流值.B点对应的源漏电压 即为源漏饱和电压: 源漏饱和电压 饱和区: 输出

9、特性曲线上,VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。 非饱和区: 饱和区: 跨导 跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大,控制 能力越强。 4.2.6 MOSFET的击穿 1、栅介质的可靠性与栅介质的击穿 当栅压过大时,栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿, 半导体表面的载流子会发生泄露,导电沟道消失。 (a)三角形势垒遂穿 (b)直接遂穿 在大电场或大电流的作用 下,栅介质中缺陷密度增 加,形成导电通道,栅介 质完全击穿。 2、源漏击穿 随着源漏电压的增大,导电沟道出现夹断。电压继续增大, 耗尽区的电场增强,引起雪崩击穿,ID急剧增大。 在曲率半径大的区域,电场最强,该区域最容易发生

10、雪崩击 穿。 4.2.10 MOSFET的等比例缩小 MOSFET 器件与电电路参数乘积积因子 器件参数按比 例缩缩小的衍生 结结果 栅长栅长 L1/ 栅宽栅宽 W、绝缘层绝缘层 厚度tox1/ 掺杂浓掺杂浓 度NA、ND 结结深xj1/ 电电路参数按比 例缩缩小的衍生 结结果 耗尽层电层电 容1/ 电电路延迟时间迟时间 (=RC)1/ 单单位电电路的功耗1/2 阈值电压阈值电压1/ 电电路密度2 第四章 重点 1、理想MOS管的能带结构 平衡态 非平衡态外加电压 能够根据非平衡态时能带结构,判 断出半导体表面的状态:积累、耗 尽、反型(弱反型、临界强反型) 2、表面势 理解表面势的含义: 表

11、征能带弯曲程度 结合能带图,分析表面势不同取值时,能带弯曲的情况, 进而判断MOS管半导体表面状态。 3、MOSFET的工作原理 转移特性 增强型 n沟道 MOSFET 1、为什么栅极电压要达到一定 值时,源漏才有电流流过? 2、源漏开始导通时,MOS结构 中半导体表面处于哪种状态? 输出特性 源漏饱和电压VDsat 漏端沟道夹断 转移特性 4、MOSFET的阈值电压 阈值电压 影响阈值电压的因素 : 非理想MOS的能带图 实际MOS管在平衡态时半导体侧能带会发生弯曲,这与理想MOS 管在平衡态时的能带有一定的区别,引起实际情况与理想情况出现 偏差的原因? (2个原因) 1、金属半导体的功函数

12、差; 2、绝缘层中电荷数量。 5、 MOSFET 的类型 1V 1、 已知一MOSFET的转移特性如下图,若栅极电压VGS为4V, 源漏饱和电压值为? -1V 2、 已知一MOSFET的转移特性如下图,若栅极电压VGS为-4V, 源漏饱和电压值为? 5、MOSFET的电流电压关系 输出特性曲线上,VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。 非饱和区: 饱和区: 能够根据VGS、VDS、VT计算出非饱和状态或饱和状态时的漏极电流. 6、跨导 能够根据VGS、VDS、VT计算出非饱和状态或饱和状态时的跨导值 7、MOSFET的击穿 了解MOSFET的击穿包括:栅介质的击穿及源漏击穿。 8、MOSFET的等比例缩小规则 要求掌握等比例缩小规则下,器件各参数的变化及电路性能的变化。 例:按照等比例缩小规则,当栅长缩小K倍时,介质层厚度应如何 调整?

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