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1、微电子技术专业,半导体器件,单元四 场效应晶体管 小结 讲授教师：马 颖,第 7 章,半导体表面特性及MOS电容,7.1 半导体表面和界面结构了解清洁表面和真实表面的特点理解Si-SiO2界面的特点及影响因素 7.2 表面势掌握MIS结构的表面积累、耗尽和反型时表面势与能带特点 7.3 MOS结构的电容-电压特性掌握理想MOS的C公式了解影响实际C-V特性曲线变化的因素 7.4 MOS结构的阈值电压掌握理想与实际阈值电压的计算（含C、S、Wm、QSC）,一、半导体表面和界面结构,真实表面分为外表面和内表面，其中内表面属于快态能级，外表面属于慢态能级。 利用热生长或化学汽相淀积人工生长方法在Si
2、面上生长SiO2层，可厚达几千埃，形成硅-二氧化硅界面。 理想表面的特点：在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主和受主能级。 Si-SiO2界面的结构的应用：,MOS结构中的绝缘介质层、器件有源区之间场氧化隔离 选择掺杂的掩蔽膜、钝化保护膜等,可动离子（钠离子，减小该离子沾污的工艺为磷稳定化和氯中性化） 固定电荷（氧化层正电荷，固定电荷密度由最终氧化温度决定，减小的方法是在惰性气体中退火） 界面陷阱，又称界面态（中性悬挂键引起，界面态的能级分布？减小
3、方法有氢气退火和金属后退火工艺） 电离陷阱（由辐射、高温高负偏置应力引起的附加氧化层电荷的增加，去除和减小的方法是热退火和加固）,一、半导体表面和界面结构,二氧化硅层中，存在着严重影响器件性能的因素主要有哪些？,二、表面势,表面势的概念,空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为表面势S。,MIS结构加正向电压时，金属侧积累正电荷，半导体表面一层便形成空间负电荷区。此时，表面势S是正的，表面电场由外界指向半导体，表面的能带向下弯曲，此时，表面与体内达到了热平衡，具有共同的费米能级；空间电
4、荷区中的负电荷恰好与金属中的正电荷相等。,二、表面势,MIS结构加反向电压时，金属侧积累正电荷，半导体表面一层便形成空间正电荷区。此时，表面势S是负的，表面电场由半导体指向外界，表面的能带向上弯曲。,三、MOS结构的电容-电压特性,理想MOS电容的特点：,金属-半导体功函数差为零； 氧化层及界面电荷为零； 界面态为零； 半导体体内电阻为零； 氧化层完全不导电。 能带应是平的； 半导体表面处S=0。理想MOS电容实际就是由一个氧化层电容COX和一个半导体中空间电荷区电容CS的串联结构组成的。,真空介电常数0=8.851012F/m； SiO2的氧化层相对介电系数OX为3.9 硅的相对介电常数S为
5、11.9 锗的相对介电常数S为16,三、MOS结构的电容-电压特性,影响实际MOS的C-V特性曲线的因素有哪些？,氧化层内正电荷总是使C-V曲线产生左移影响。金属-半导体功函数MS使C-V曲线产生左移影响。掺杂浓度提高，高频反型电容会大大增加。氧化层厚度增加会使高频反型电容升高。温度对反型偏置电容有中等敏感度（温度上升电容变大），其他区域则基本上不随温度变化。,四、MOS结构的阈值电压,掌握理想与实际阈值电压的计算（含C、S、Wm、QSC）,由P型半导体构成的实际MOS结构,由N型半导体构成的实际MOS结构,第 8 章,MOS场效应晶体管的特性,8.1 MOSFET的结构和分类 MOSFET与
6、双极型晶体管的优缺点对比 掌握场效应晶体管的分类MOS四种类型及各自特点、MOSFET的特征 8.2 MOSFET的特性曲线（2种曲线及分区） 8.3 MOSFET的阈值电压（略） 8.4 MOSFET的伏安特性（略） 8.5 MOSFET的频率特性掌握跨导与最高振荡频率含义及公式 8.6 MOSFET的开关特性掌握反相器的分类、了解CMOS的工作原理 8.7 阈值电压的控制和调整（掌握计算）,一、MOSFET的结构和分类,简述双极型晶体管的工作原理简述场效应晶体管的工作原理,由一个P-N结注入非平衡少数载流子，并由另一个P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多
7、数载流子，故称为双极型晶体管。,场效应晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。,一、MOSFET的结构和分类,MOSFET相比双极型晶体管的优点,（1）输入阻抗高； （2）噪声系数小； （3）功耗小； （4）温度稳定性好； （5）抗辐射能力强。,MOSFET相比双极型晶体管的缺点,（1）工艺洁净要求较高； （2）场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。,一、MOSFET的结构和分类,场效应晶体管的分类,第一类：表面场效应管，绝缘栅场效应管（IGFET） 第二类：结型场效
8、应管（JFET） 第三类：薄膜场效应晶体管（TFT),MOSFET 绝缘栅型,增强型 没有原始沟道,耗尽型 有原始沟道,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,MOSFET的类型,加上一个正的栅压才能形成N型沟道,加上一个负的栅压才能形成P型沟道,加上一个负的栅压才能使N沟道消失,加上一个正的栅压才能使P沟道消失,一、MOSFET的结构和分类,MOSFET的特征是什么？,1双边对称：在电学性质上源和漏是可以相互交换的。 2单极性：MOS管中参与导电的只有一种载流子（多子）。 3高输入阻抗：MOSFET的直流输入阻抗可以大于1014欧。 4电压控制：由输入电压VGS控制输出电流ID。且输入功率非常低有较
9、高的扇出能力。 5自隔离：一个MOS晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。,二、MOSFET的特征曲线,MOSFET电压极性关系,二、MOSFET的特征曲线,通过MOSFET的漏源电流与加在漏源极间的电压之间的关系曲线即为输出特性曲线。这时加在栅极上的电压作为参变量。 如图示，该图为什么MOSFET的输出特性曲线？其中区为可调电阻区、 区为饱和工作区、 区为雪崩击穿区。 图中的区沟道是否夹断？有何特点？,在可调电阻区，沟道未夹断，VDS使沟道中各点的电位不同，从源端到漏端沟道的厚度变小。此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与VDS基本上是线性关系。而且，VGS越大
10、，沟道电阻越小。,MOSFET的临界夹断状态的电压条件为：饱和工作区特点：沟道夹断点从漏端向源端移动，漏源电流基本上达到饱和值IDSS。 当MOS晶体管工作在饱和区时，将工作电流IDSS与输入电压VGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。,二、MOSFET的特征曲线,VGS-VDS=VT,左图为什么MOSFET的转移特性曲线？,二、MOSFET的特征曲线,沟道长度调变效应,在饱和工作区中，当沟道长度L不满足远大于夹断区段长度(短沟道)时， VDS增大，沟道长度将减小， IDSS将随之增加，漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。,漏源
11、击穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：,漏极电压VDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度LS扩展到等于沟道长度L时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。,漏区与衬底之间P-N结的雪崩击穿； 漏和源之间的穿通。,三、MOSFET的频率特性,跨导gm表征在漏源电压VDS不变的情况下，漏电流IDS随着栅电压VGS变化而变化的程度，标志了MOSFET的电压放大本领。单位：西门子（S）。 线性工作区：跨导与VDS成正比 饱和工作区：在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与VDS无关。 提高跨导的方法,（1）改进管子的结构提高：增大沟道的宽长比；减薄氧
12、化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。 （2）在饱和区时，可通过适当增加VGS来提高跨导。,三、MOSFET的频率特性,NMOSFET最高振荡频率 PMOSFET最高振荡频率 减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率,四、MOSFET的开关特性,倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载两部分组成。反相管通常用N沟增强管。E/R反相器为无源负载即用电阻作负载。有源负载又可分为多种不同的MOSFET，常见有 E/E反相器（用N沟增强管作负载） CMOS反相器（用P沟增强管作负载） E/D反相器（用N沟耗尽管作负载）。,四、MOSFET的开关特性,C
13、MOS结构CMOS倒相器的特点,在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管（负载管）和N沟MOS管（倒相管），N沟MOS管制作在P阱内。,在导通和截止两种状态时，始终只有一个管子导通，只有很小的漏电流通过，所以CMOS倒相器的功耗很小，且开关时间短。,四、MOSFET的开关特性,CMOS倒相器的工作原理,当输入脉冲为零(低电平)时CMOS倒相器处于截止状态。倒相管NMOS增强型管的VGS=0，处于截止状态。负载管PMOS增强型管的VGS0 , 处于充分导通的状态。负载管PMOS的VGS0，处于故处于截止状态。这时，输出电压VD0，为低电平。,五、阈值电压VT的控制和调整,调整和控制阈值电压的方法,在
14、半导体近表面处注入精确控制的相对较少的硼或磷离子。硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移。 通过改变氧化层厚度来控制VT。氧化层厚度增加，N沟道MOSFET的阈值电压会变大，而P沟道MOSFET的阈值电压将变小。 选择适当的栅极材料来调整功函数差从而控制VT。,五、阈值电压VT的控制和调整,通过半导体表面处注入离子来调整和控制阈值电压的计算,注入硼离子造成的平带电压漂移类似于固定正电荷，其量为： ，FB为注入的硼剂量，所以阈值电压由VT增加到VT,注入磷离子造成的平带电压漂移量为：,第 9 章,MOS功率场效应晶体管,9.1 用作功率放大和开关的MOS功率场效应晶体管（略） 9
15、.2 MOS功率场效应晶体管的结构（分类） 9.3 DMOS晶体管的击穿电压（略） 9.4 DMOS晶体管的二次击穿（略） 9.5 温度对MOS晶体管特性的影响（略）,MOS功率FET的结构,MOS功率FET具有两种基本结构：二维结构和三维结构。二维横向器件与常规的MOS晶体管基本相似，只是多一个延伸的高电阻漏区，这种结构特点有助于提高器件的高压性能。在三维器件中，则具有一个纵向的延伸漏区，通常称之为漂移区，漏电极位于片子的底部。这种三维结构可以提高硅片的利用率。,二维横向结构,补偿栅MOS晶体管,三维结构,横向DMOS晶体管（LDMOST）,具有纵向漏极的补偿栅MOS晶体管,具有纵向漏的DMOS晶体管（VDMOST）,纵向V型槽MOS晶体管（VVMOS）,截角V型槽MOS晶体管（VUMOST）,MOS功率FET的结构,第 10 章,10.1 非均匀掺杂对阈值电压的影响（略） 10.2 MOSFET的小尺寸效应,小尺寸MOS器件的特点, 短沟道效应 窄沟道效应 按比例缩小规则 热电子效应,
