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1、4.2 MOSFET 的阈电压,定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压 ，记为 VT 。,定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了 强反型 。,在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。,4.2.1 MOS 结构的阈电压,下面推导 P 型衬底 MOS 结构的阈电压 。,上图中，,1、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ，栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当 VG = 0 时的能带图,称为 P 型衬底的费米势 。,上图中，S
2、 称为 表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 代表单位面积的栅氧化层电容， ，TOX 代表栅氧化层厚度。,2、实际 MOS 结构（MS 0）当 VG = 0 时的能带图,3、实际 MOS 结构当 VG = VFB 时的能带图 当 时，可以使能带恢复为平带状态，这时 S = 0，硅表面呈电中性。VFB 称为 平带电压 。,4、实际 MOS 结构当 VG = VT 时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - Eis = qFP ，这时能带总的弯曲量是 2qFP ，表面势为 S = S,inv = 2FP 。,外加栅电压超过 VFB 的部分（VG
3、-VFB）称为 有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面附近的表面电势 S ，即 VG VFB = VOX + S,表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是 2qFP ，表面势为 2FP ，于是可得： VT VFB = VOX + 2FP,VT = VFB + VOX + 2FP,上式中， QM 和 QS 分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷QA 与反型层电荷 Qn 之和。,-QA,QM,-Qn,COX,-QS,中，可得 MOS 结构的阈电压为,再将 和上式代入 VT = VFB + VOX + 2FP
4、,作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn 。QA 是 S 的函数，在开始发生强反型时，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得：,下面推导QA ( 2FP ) 的表达式 （对于均匀掺杂的衬底）,于是可得 N 沟 MOSFET 的阈电压为,K为体因子,称为 N 型衬底的费米势。,同理， P 沟 MOSFET 的阈电压为,式中，,FN 与 FP 可以统一写为 FB ，代表 衬底费米势。,4.2.2 影响阈电压的因素,N 沟道与 P 沟道 MOSFET 的阈电压可统一写为,a) COX(栅氧化层厚度 TOX ),一般来说，当 TOX 减薄时， |VT | 是减小的。,早期 MOSFET
5、的 TOX 的典型值为 150 nm ，目前高性能MOSFET 的 TOX 可达 10 nm 以下。,1015 cm-3 时， 约为 0.3 V 。,b) 衬底费米势 FB,FB 与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为,MS 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于Al Si 系统，,c) 功函数差 MS,- 0.6 V - 1.0 V ( N 沟 ),- 0.6 V - 0.2 V ( P 沟 ),当 N = 1015 cm-3 时，,- 0.9 V ( N 沟 ),- 0.3 V ( P 沟 ),MS =,MS =,d) 耗尽区电离杂质电荷面密度 QAD,由于 FB 与掺杂
6、浓度 N 的关系不大，故可近似地得到,e) 栅氧化层中的电荷面密度 QOX,调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度 N（例如离子注入）和改变栅氧化层厚度 TOX 来实现。,QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100）晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。,对于 N 沟道 MOSFET ，,4.2.3 衬底偏置效应（体效应）,衬底偏置效应：VT 随 VBS 的变化而变化。,当 VS = 0 时，可将源极作为电位参考点，这时 VG = VGS 、VD = VDS 、VB = VBS 。,对于 P 沟道 MOSFET ，,可见，当 |VBS | 增大时，N 沟道 MOSFET 的
7、阈电压向正方向变化，而 P 沟道 MOSFET 的阈电压向负方向变化。,由于 ，所以 TOX 越厚、N 越高，衬底偏置效应就越严重。,4.2.4 离子注入对阈电压的调整,假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度 R 小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度 xdmax ，,则经离子注入调整后的阈电压为,阈电压的调整量为,式中，NI 代表离子注入增加的杂质浓度，NA = NA + NI ；QI = -qNIR 代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。,作业 1、制作N沟增强型MOS管衬底材料的电阻率与制作N沟耗尽型MOS管衬底材料的电阻率相比，哪个选的应高一些，为什么？ 2、对于增强型NMOS管，当VBS0时，阈电压VT如何改变? VT与哪些参数有关？,
