《MOS器件阈值电压》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MOS器件阈值电压（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型 2、MOSFET的阈值电压 3、MOSFET的直流特性 4、MOSFET的动态特性 5、小尺寸效应,MOSFET阈值电压的定义,在正常情况下，栅电压产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的产生。使沟道区源端强反型时的栅源电压称为MOS管的阈值电压。NMOS的阈值电压用VTn 表示， PMOS的阈值电压用VTp 表示。,阈值电压：Threshold voltage,MOS电容的阈值电压（1）,P-Si,耗尽层的厚度 耗尽层单位面间的电荷 反型层的厚度 反型层单位面积的电荷 半导体表面电荷 栅电荷,P-Si,半导体表面强反型时的栅体电压称为MOS电容的阈值
2、电压VT,MOS电容的阈值电压（2）,MOS电容反型时能带图,MOSFET与MOS电容的不同（1）,MOS电容 表面电场由栅电压控制，半导体表面处于平衡态，有统一的费米能级。表面空间电荷沿 Y方向均匀分布。,MOSFET 栅下的电荷受栅电压产生的纵向电场 EX 、源漏电压产生的横向电场 EY 的共同作用，是一个二维问题*。 VDS、VBS使半导体表面势、表面电荷、表面反型层和耗尽区厚度都随Y变化。 沿Y方向有电流流动，表面处于非平衡态，反型层与体内不再有统一的费米能级。,MOSFET与MOS电容的不同（2）,MOSFET与MOS电容的不同（3）,VGSVT,n+,n+,VDS0,p-subst
3、rate,Channel,S,B,IDS,VBS,NMOS 反型层和耗尽区,如何得到,在一定的近似条件下求解二维泊松方程：,MOSFET电压电荷关系,Gradual Channel Approximation* 假定y方向（沿沟道方向）电场EY的变化远小于相应的X方向（垂直于沟道方向）电场EX的变化。其数学表示式为,缓变沟道近似（GCA）,对于长道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。 GCA近似使泊松方程变成一维的，这意味着MOS电容的电荷方程，做一些简单修正，就可适用于MOSFET,以NMOS为例。当栅压VGSVTN,在半导体表面形成反型层。这时，在源漏
4、端施加电压，形成源漏电流,沿沟道方向（Y方向）产生电压降*。 其结果使N型沟道的能带连同其费米能级沿Y方向发生倾斜*。原因：N沟道与P型衬底之间电位不同，即N沟道与P型衬底间的PN结处于反向偏置，沟道与衬底之间不再有统一的费米费米能级 设沟道任意点相对于衬底的电位为VCB(y)，那么沟道区的电子准费米能级EFn比衬底空穴的准费米能级EFP低qVCB(y)。,MOSFET的表面势（1）,MOSFET的表面势（2）,NMOSFET 的能带图*,MOSFET的三维能带图,VB=VS=VD=0 VG0,VB=VS=0 VD0,VB=Vs=VD=VG=0,在GCA下，强反型时，当VDS较小时，MOSFE
5、T 的表面势近似为:,MOSFET的表面势（3）,定义VY为沟道Y点相对于源端的电势：,MOSFET的表面势（4）,强反型时的栅体电压为,使沟道任意一点强反型时的栅源电压为,阈值电压定义为源端反型时的栅源电压：,强反型后，MOST的反型层电荷与栅压的关系为：,MOSFET阈值电压表达式,NMOS,PMOS,影响阈值电压的因素,金半接触电势差，,氧化层中正电荷面密度，单位: 库仑/cm2,半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关）,衬底掺杂浓度,单位面积栅氧化层电容,衬底偏压,影响阈值电压的因素：Vms,金半接触电势差Vms,Al栅，Al的功函数4.1eV，Si的亲和能4.15eV,NMOS:,PMOS
6、:,使P型半导体表面耗尽或反型,使N型半导体表面积累,Al栅方块电阻：几个 m/ Al栅工艺的缺陷,影响阈值电压的因素：Vms,多晶硅栅*,n+poly-si,掺杂浓度NDP，方块电阻15欧姆,NMOS:,使表面耗尽或反型,PMOS:,使表面多子积累,p+poly-si,掺杂浓度NAP，方块电阻25欧姆,NMOS:,使表面多子积累,PMOS:,使表面耗尽或反型,近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同,SiO2中的正电荷面密度Q0* 固定正电荷 可动正电荷 陷阱电荷 界面陷阱电荷 这些电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因,其大小与晶向有关，与SiO2的生长工艺有关。 通常要求：,影响阈值电压
7、的因素: Q0,影响阈值电压的因素：NB,衬底掺杂浓度NB 通过QB来影响VT NB越大，越不容易反型,影响阈值电压的因素： Tox,栅氧化层厚度tox： tox增加，导致VT增加。这种方法广泛应用于MOSFET之间的隔离。,提高场区寄生MOS管的阈值电压：场注入厚的场氧化层,栅氧 场氧,有源区、场区,影响阈值电压的因素：体效应,衬底偏压的影响体效应（Body Effect） MOSFET通常源和衬底短接，但是有两种情况会造成MOSFET的衬底相对与源端有一个偏置电压VBS（NMOS,VBS0） 在MOS电路中，有些MOS管的源极接输出端，其电位是变化的； 有意在体端加偏压使源与衬底之间的PN
8、处于反偏，以调制MOS管的阈值电压； 体效应：也称为衬偏效应、背栅效应,影响阈值电压的因素：体效应,考虑到VSB的影响，通常把VT写成：,Body factor,影响阈值电压的因素：体效应,衬底偏压使耗尽层展宽，导致 NMOS的VTn增加（向正方向移动） PMOS使得VTp更负（向负方向移动） 除非应用，否则应尽量避免体效应（使体效应因子最小）,Example：Substrate bias effect on VT (body-effect),阈值电压的设计（1）,阈值电压是MOSFET最重要的参数之一，要求精确的控制。在诸因素中，影响最大的是栅氧化层的厚度和衬底掺杂浓度，但这两个参量在很大的
9、程度上会由其它设计约束事先确定*。 阈值电压的调制方法：用离子注入工艺，在半导体表面处精确注入一定数目的硼或磷离子，以调制半导体表面的杂质浓度* 。当MOS器件偏置在耗尽或反型时，注入的杂质会叠加到氧化层半导体界面附近的电离杂质电荷上，从而改变VT。硼注入会导致阈值电压正漂移（变得更正），磷注入会时阈值电压负漂移（变得更负）。,阈值电压的设计（2）,计算注入后的阈值电压：离子注入形成的杂质沿注入方向是Gauss分布，直接用其计算VT比较复杂。考虑到实际中调制注入的深度一般比较浅，用Delta函数近似实际的分布：认为注入的杂质全部位于Si-SiO2界面无限薄的薄层硅中。,注入剂量，单位面积（每平方厘米）离子数目,阈值电压的设计（3）,Delta近似：认为是在氧化层半导体界面引入附加的固定电荷，类似氧化物固定电荷的分析，可以得到由于注入引起的阈值电压的漂移为：,：注入受主杂质，B ：注入施主杂质，P DI：注入剂量，QI ：注入电荷/cm2,Boron Ion-implanted, the VTn After implant is,Example 考虑一个NMOSFET，NB=1015cm-3，Tox=150A，平带电压VFB=-0.91V，求使阈值电压VT=1V所需要注入杂质种类和注入剂量。 Solution,
