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1、2017/12/11,半导体物理与器件,西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽第11章 MOSFET基础1.2 C-V特性1.3MOS管原理,2017/12/11,1.2 C-V特性 本节内容,理想MOS电容的CV特性氧化层电荷对CV特性影响界面态概念及对CV特性影响,2017/12/11,1.2 C-V特性 什么是C-V特性,MOS电容C=dQ/dV=Cox与Cs的串联,器件电容定义:,相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小,2017/12/11,1.2 C-V特性 理想MOS电容C-V特性,电容-电压特性测试曲线,直流电压：决定器件工作点，调整大小
2、使MOS先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态,交流电压：幅值比较小，不改变半导体的状态,测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。,2017/12/11,1.2 C-V特性 堆积状态,加直流负栅压，堆积层电荷能够跟随交流小信号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。,2017/12/11,1.2 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,2017/12/11,1.2 C-V特性 耗尽状态,加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容CSD,C相当与Cox与Csd串联,20
3、17/12/11,1.2 C-V特性 强反型状态,阈值反型点： CV曲线分高低频。原因：和反型层电荷的来源密切相关。,2017/12/11,1.2 C-V特性 反型层电荷来源,2017/12/11,反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1、P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+漂移）2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。,半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生复合。热运动：电子从价带激发到导带，电子热运动挣脱共价键束缚的过程,交流信号正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间 。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号变化快慢相关：,2017
4、/12/11,1.2 C-V特性 强反型状态(低频),加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。,中反型：近似认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区,2017/12/11,1.2 C-V特性 反型状态(高频),加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对C有贡献。总电容？交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？,2017/12/11,1.2 C-V特性 n型与p型的比较,p型衬底MOS结构,n型衬底MOS
5、结构,2017/12/11,1.2 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,Qss使得S表面处于任状态时与无Qss相比VG都左移.但每一状态下的C并不会发生变化：(例CFB始终不变) 每个状态VG变，不改变vg对QS的作用VG移量相等: Qss不是栅压的函数，栅压改变不影响Qss大小,- - -,2017/12/11,1.2 C-V特性 界面陷阱的分类,被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性,被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电,（界面陷阱）,界面电荷是栅
6、压的函数? 栅压会改变半导体表面的EF相对位置,界面态：半导体界面处禁带宽度中的电子能态。,2017/12/11,2017/12/11,1.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征,本征态,本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响禁带中央：CV曲线实虚线重和,2017/12/11,2017/12/11,1.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征前,本征之前：EFiEF，总有施主态在EFS之上，施主态失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等,- - - - - -,+,本征态,- - -,陷阱电荷使得S表面处于本征之前任状态时VG都左移. 每一状态下的C并不
7、会发生变化：(例CFB始终不变)VG左移量随栅压不等,例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电,2017/12/11,2017/12/11,本征之后： EFi场效应晶体管,绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET） 栅极与其它电极之间是相互绝缘的MIS（Metal-Insulated-Semiconductor）,黑（灰）色部分可以理解为两种材料界面或空间电荷区，一般书中不画。,2017/12/11,1.3MOSFET原理 MOSFET结构,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,MOS电容：外加VG，
8、氧化层下方半导体表面可能形成反型层，连接SD区，就是MOSFET的导电沟道。,2017/12/11,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1),n沟道MOSFET：NMOS,p沟道MOSFET：PMOS,分类方法1：按照沟道载流子的导电类型分,沟道电流： VGSVT，加VDS NMOS(VDS0)；PMOS(VDS0,n沟道耗尽型MOSFET(D型：Delption),零栅压时已存在反型沟道，VTN0,问题：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？,分类方法2：0栅压是否存在反型沟道分,2017/12/11,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 MO
9、SFET分类(3),p沟道增强型MOSFET,零栅压时不存在反型沟道，VTP0,思考：N衬表面若不进行专门的P型掺 杂，能否形成耗尽型PMOS?,2017/12/11,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 MOSFET分类(4),四种MOS晶体管 N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型,2017/12/11,2017/12/11,1.3MOSFET原理 VGS的作用,VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压。强反型层存在-MOSFET的沟道存在。,VT：刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS,vGS 越大，沟道载流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。,2017/12/11
10、,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 VDS的作用,场感应结：n型沟道和P型衬底。VDS使沟道上压降从源到漏增加，场感应结反偏压增加，耗尽层增 厚，栅上电压不变，反型层厚度渐,2017/12/11,VDS的作用：（VGSVT）形成沟道电流： NMOS(VDS0)PMOS(VDSVTN,VDS0沟道形成形成沟道电流：对VGS起抵消作用：沟道从源到 漏厚度渐,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(1),线性区,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(2),过渡区,2017/12/11,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(3),饱和点,沟道夹断点X：反型层电荷密度刚好近似=0 VGX=VT,VXS=VDS(sat),2017/12/11,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(4),
