半导体器件原理第五章
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1、第五章：第五章：MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半半导体）场效应晶体管导体）场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）场效应晶体管介绍场效应晶体管介绍什么是场效应管什么是场效应管? 场效应晶体管场效应晶体管【Field Effect Transistor缩写缩写(FET)】简称场效应管简称场效应管。由多数载流子参与导电由多数载流子参与导电,也称为也称为单单极型晶体管极型晶体管，它属于它属于输入输入电压控制电压控制输出电流的输出电流的半导体器件半导体器件，仅由一种载流子参与导电。仅由一种载流子参与导电。DS
2、电流电场场效应晶体管场效应晶体管，FET, field effect transistor 利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用，控制导电沟道利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用，控制导电沟道输出电流的一种半导体器件输出电流的一种半导体器件. FET与双极晶体管的比较与双极晶体管的比较BJTFET与与BJT的区别：的区别：1. FET 为电压控制器件为电压控制器件; BJT 为电流控制器件。为电流控制器件。2. FET输入阻抗高，实际上不需要输入电流，在输入阻抗高，实际上不需要输入电流，在模拟开关电路，高输入阻抗放大器和微波放大器中模拟开关电路，高输入阻抗放大器和微波放大器中具有广泛的应用
3、。具有广泛的应用。3. FET为单极器件，没有少子存储效应，适于高为单极器件，没有少子存储效应，适于高频和高速工作。频和高速工作。4. 在大电流时，在大电流时，FET具有负的温度系数，随着温具有负的温度系数，随着温度的增加度的增加FET的电流减小，使整个器件温度分布更的电流减小，使整个器件温度分布更加均匀。加均匀。5. 制备工艺相对比较简单，适合大规模集成电路。制备工艺相对比较简单，适合大规模集成电路。场效应晶体管的家族谱系场效应晶体管的家族谱系pn结栅结栅肖特基栅肖特基栅绝缘栅绝缘栅随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部分超大规模集成电路都是部分超
4、大规模集成电路都是MOS集成电路集成电路。在。在数字集成电路，尤其是数字集成电路，尤其是微处理机和存储器微处理机和存储器方面，方面，MOS集成电路几乎占据了绝对的位置。集成电路几乎占据了绝对的位置。MOS在一些特种器件，如在一些特种器件，如CCD（电感耦合器件）（电感耦合器件）和敏感器件方面应用广泛。和敏感器件方面应用广泛。促进促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术：晶体管发展主要有以下四大技术：半导体表面的稳定化技术半导体表面的稳定化技术各种栅绝缘膜的实用化各种栅绝缘膜的实用化自对准结构自对准结构MOS工艺工艺a)阈值电压的控制技术阈值电压的控制技术第五章：第五章：MOS（金属（金属-氧化物
5、氧化物-半半导体）场效应晶体管导体）场效应晶体管5.1 MOS场效应晶体管基础场效应晶体管基础n5.1.1双端结构双端结构n5.1.2电容电压特性电容电压特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4频率限制特性频率限制特性n5.1.5技术技术n5.1.6小结小结5.1.1 双端双端MOS结构结构 MOS电容结构氧化层厚度氧化层厚度氧化层介电常数氧化层介电常数Al或高掺杂或高掺杂的多晶的多晶Sin型型Si或或p型型SiSiO29MOSFET 的核心是的核心是金属氧化物半导体金属氧化物半导体电容电容， 其中的金其中的金属可以是铝或者一些其它的金属，但更通常的情况是在氧属可以是铝或者一些其它
6、的金属，但更通常的情况是在氧化物上面淀积高电导率的多晶硅；然而，金属一词通常被化物上面淀积高电导率的多晶硅；然而，金属一词通常被延用下来。延用下来。多子积累：多子积累：1）能带）能带（向上向上）弯曲并接近弯曲并接近EF；2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。浓度越高。l由于由于MOS系统处于热平衡状态且无通过氧化层的电流，使系统处于热平衡状态且无通过氧化层的电流，使得半导体中的费米能级为一常数。得半导体中的费米能级为一常数。 p型衬底型衬底MOS电容器的能带图电容器的能带图 (a)加负栅压加负栅压5.1.1双端双端M
7、OS结构结构 能带图MOS结构的物理性质可以借助简单的平行板电容器加以解释结构的物理性质可以借助简单的平行板电容器加以解释多子耗尽：多子耗尽：1）表面能带向下弯曲，表明存在一个类似于）表面能带向下弯曲，表明存在一个类似于pn结中的结中的空间电荷区。导带和本征费米能级均向费米能级靠近，空间电荷区。导带和本征费米能级均向费米能级靠近，产生的空间电荷区宽度为产生的空间电荷区宽度为xd；2 2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。面带负电。 p型衬底型衬底MOS电容器的能带图电容器的能带图 (b)加小正栅压加小正栅压5.1.1双端双端MO
8、S结构结构 能带图少子反型：少子反型：1）EFi与与EF在表面处相交（此处为本征型），表面处本在表面处相交（此处为本征型），表面处本征费米能级低于费米能级，导带比价带更接近费米能级；征费米能级低于费米能级，导带比价带更接近费米能级；2 2）表面区的少子数）表面区的少子数 多子数多子数表面反型；表面反型；3 3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。 p型衬底型衬底MOS电容器的能带图电容器的能带图 (c)加大正栅压加大正栅压5.1.1双端双端MOS结构结构 能带图p型衬底型衬底MOS电容器的能带图电容器的能带图5.1.1双端双端MOS结构结构 能带图
9、金属板加金属板加负电压负电压时，氧化物时，氧化物-半导体半导体界面处存在空穴堆积界面处存在空穴堆积栅极加栅极加正电压正电压时，导带和本征费米能级时，导带和本征费米能级均向费米能级靠近，产生空间电荷区均向费米能级靠近，产生空间电荷区金属板加金属板加更大正电压更大正电压时，空间电荷区更大。表面处的本征费米能级低于费时，空间电荷区更大。表面处的本征费米能级低于费米能级，从而，导带比价带更接近费米能级。半导体表面从米能级，从而，导带比价带更接近费米能级。半导体表面从p型转化成型转化成n型，产生氧化物型，产生氧化物-半导体界面处的半导体界面处的电子反型层电子反型层。n型衬底型衬底MOS电容器的能带图电容
10、器的能带图 (a)加正栅压加正栅压 (b)加小负栅压加小负栅压 (c)加大负栅压加大负栅压金属板加金属板加正电压正电压时，氧化物时，氧化物-半导体半导体界面处存在电子堆积界面处存在电子堆积栅极加栅极加负电压负电压时，导带和价带均时，导带和价带均向上弯曲，产生空间电荷区向上弯曲，产生空间电荷区金属板加金属板加更大负电压更大负电压时，导带和价带的弯曲更显著，本征费米能级移到费时，导带和价带的弯曲更显著，本征费米能级移到费米能级上方，以至于价带比导带更接近费米能级。半导体表面从米能级上方，以至于价带比导带更接近费米能级。半导体表面从n型转化型转化成成p型，产生氧化物型，产生氧化物-半导体界面处的半导
11、体界面处的空穴反型层空穴反型层。5.1.1双端双端MOS结构结构 空间电荷区厚度费米势费米势表面势表面势表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度s半导体表面电势半导体表面电势与体内电势之差与体内电势之差半导体体内费米能半导体体内费米能级与禁带中心能级级与禁带中心能级之差的电势表示之差的电势表示采用单边突变结采用单边突变结的耗尽层近似的耗尽层近似P型衬底型衬底15p型衬底半导体空间电荷区示意图型衬底半导体空间电荷区示意图fp 阈值反型点阈值反型点条件：表面处的电子浓度条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度体内的空穴浓度表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度P型衬底型衬底表面电子浓度：表面电子浓度：ex
12、p()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：体内空穴浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp栅电压栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷区表面空间电荷区厚度达到最大值厚度达到最大值165.1.1双端双端MOS结构结构 空间电荷区厚度空间电荷区厚度P型半导体在阈值反型点时的能带图型半导体在阈值反型点时的能带图阈值反型点条件：阈值反型点条件：表面势表面势=费米势的费米势的2倍，表面处的空穴浓度倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压体内的电子浓度，栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度表面势表面势17实际器件实际器件参数区
13、间参数区间185.1.1双端双端MOS结构结构 空间电荷区厚度T=300k时时xdt和掺杂浓度的函数关系和掺杂浓度的函数关系大部分的实际掺杂在大部分的实际掺杂在10151017之间，所以对应的表面之间，所以对应的表面空间电荷区宽度在空间电荷区宽度在0.11um之间。之间。5.1.1双端双端MOS结构结构 功函数差金属的金属的功函数功函数金属的费米能级金属的费米能级二氧化硅的二氧化硅的禁带宽度禁带宽度二氧化硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2eE(eWWfpgmsmms （电电势势表表示示）金金属属与与半半导导体体功功函函数数差差0mFm
14、mWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换间进行交换19零偏压下完整的金属氧化物半导体结构的能带图（接触之前）零偏压下完整的金属氧化物半导体结构的能带图（接触之前） 零栅压下氧化物零栅压下氧化物二侧的电势差二侧的电势差修正的金修正的金属功函数属功函数零栅压下半导零栅压下半导体的表面势体的表面势修正的硅的修正的硅的电子亲和能电子亲和能二氧化硅的二氧化硅的电子亲和能电子亲和能20零偏压下完整的金属氧化物半导体结构的能带图零偏压下完整的金属氧化物半导体结构的能带图（接触之后）（接触之后） 00 ()2()gmsmfpoxSEeV V
16、特性频率限制特性n5.1.5技术技术n5.1.6小结小结5.1.2节内容节内容36理想情况理想情况CV特性特性频率特性频率特性氧化层电荷及界面态的影响氧化层电荷及界面态的影响实例实例5.1.2 C-V特性特性 什么是C-V特性？)(VfdVdQC平带平带电容电容-电压特性电压特性37MOS电容结构是电容结构是MOSFET的核心。的核心。MOS器件和栅氧化层半导体界面处的大量信器件和栅氧化层半导体界面处的大量信息可以从器件的电容电压的关系即息可以从器件的电容电压的关系即CV特性曲线中得到特性曲线中得到.MOS电容有三种工作状态：电容有三种工作状态：即堆积、耗尽和反型。即堆积、耗尽和反型。堆积状态
17、加负栅压，堆积层电荷能够跟加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容质平板电容oxoxoxtCC)acc( 38MOSMOS电容器在堆积模式时的能带图电容器在堆积模式时的能带图 堆积模式下当栅压微变时的堆积模式下当栅压微变时的微分电荷分布微分电荷分布栅氧化层栅氧化层- -半导体界半导体界面产生空穴堆积层面产生空穴堆积层 一个小的电压微分改变一个小的电压微分改变量将导致金属栅和空穴量将导致金属栅和空穴堆积电荷的微分变量发堆积电荷的微分变量发生变化生变化 平带状态所加负栅压正好等于平带电压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，使半导
18、体表面能带无弯曲asoxoxoxoxFBeNekTttC平带平带本征本征39平带电容是栅氧化层厚度平带电容是栅氧化层厚度和掺杂浓度的函数。和掺杂浓度的函数。耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容压的变化而变化，出现耗尽层电容C相当与相当与Cox与与Csd串联串联min(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep( CxVdG40MOSMOS电容器在耗尽模式时的能带图电容器在耗尽模式时的能带图 耗尽模式下当栅压微变时的微分耗尽模式下当栅压微变时的微分电荷分布电荷分布当达到最大耗尽宽度且反当达到最大耗尽宽度且反型层电荷密度为零时为阈
19、型层电荷密度为零时为阈值反型点，此时得到最小值反型点，此时得到最小电容：电容：强反型状态(低频)加大的正栅压且栅压变化较慢，加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化反型层电荷跟得上栅压的变化平带平带本征本征oxoxoxtCC)inv( 415.1.2 C-V特性特性 n型与p型的比较p型衬底型衬底MOS结构结构Cox为理想为理想MOS电电容器的静电容。容器的静电容。n型衬底型衬底MOS结构结构42p型衬底型衬底MOS结构结构OXOXOXtCDsOXOXOXFBLtCathsDeNVLOXCFBCFBV0TVminCOXCCSDC堆积堆积耗尽耗尽中反型中反型强反型强反型dTsOXO
20、XOXxtCminapfsdTeNx4GV低频低频高频高频平带平带理想理想 C-V特性特性OXOXOXtCDsOXOXOXFBLtCdthsDeNVLOXCFBCFBV0TVminCOXCCSDC堆积堆积中反型中反型强反型强反型dTsOXOXOXxtCmindnfsdTeNx4耗尽耗尽GV低频低频高频高频n型衬底型衬底MOS结构结构平带平带频率特性频率特性理想情况下电容电压的微小变化能够引起反型层理想情况下电容电压的微小变化能够引起反型层电荷密度的变化。实际中必须考虑电荷密度的变化。实际中必须考虑导致反型层电导致反型层电荷密度变化的电子来源荷密度变化的电子来源。来自通过空间电荷区的来自通过空间
21、电荷区的p型衬底中少子电子的扩散。型衬底中少子电子的扩散。空间电荷区中由热运动形成的电子空间电荷区中由热运动形成的电子-空穴对。空穴对。如果如果MOS电容的交流电压很快地变化，反型层中电容的交流电压很快地变化，反型层中电荷的变化将不会有响应。因此电荷的变化将不会有响应。因此C-V特性用来测特性用来测量电容的交流频率信号。量电容的交流频率信号。反型状态反型状态( (高频高频) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( 加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型反型层电荷跟不上栅压的变化层电荷跟不上栅压的变化，只有耗
22、尽层电容对，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。高频时，反型层电荷不会响应电容电压的微小改变。高频时，反型层电荷不会响应电容电压的微小改变。当信号频率很高时，只有金属和空间电荷区中的电荷发生变化。当信号频率很高时，只有金属和空间电荷区中的电荷发生变化。MOS电容器的电容就是电容器的电容就是C minMHz1fHz1005f栅压频率的影响栅压频率的影响46小节内容47理想情况理想情况CV特性特性CV特性概念特性概念堆积平带耗尽反型下的概念堆积平带耗尽反型下的概念堆积平带耗尽反型下的计算堆积平带
23、耗尽反型下的计算频率特性频率特性高低频情况图形及解释高低频情况图形及解释固定栅氧化层电荷和界面电荷效应固定栅氧化层电荷和界面电荷效应曲线左移，反之右移VCVQFBss例图例图:如果如果Qss均为正电荷均为正电荷,需要额外牺牲负电需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负所以平带电压更负- - - - - + ssFBmsoxQVC平 带 电 压48前面所讲均针对理想前面所讲均针对理想C-V特性，假设氧化层不含固定的栅氧特性，假设氧化层不含固定的栅氧化层电荷或氧化层化层电荷或氧化层-半导体界面电荷。这两种电荷都会改变半导体界面电荷。这两种电荷都会改变C-V特性曲线、性曲线。被电子占据（在被电子占据（在EFi之下）带负电，之下）带负电，不被电子占据（在不被电子占据（在EFi之上）为中性之上）为中性被电子占据（在被电子占据（在EFi之下）为中性，不之下）为中性，不被电子占据（在被电子占据（在EFi之上）带正电之上）带正电（界面陷阱）（界面陷阱）受主态容易接受电子受主态容易接受电子带负电带负电正常情况热平衡不带正常情况热平衡不带电电施主态容易放出电子施主态容易放出电子带正电带正电氧化层界面处半导体能带示意图氧化层界面处半导体能带示意图49界面态：半导体界面处界面态：半导体界面处允许的能态允许的能态通常，受主态存在于能带的上半部分，而施主态存在于能带的下通常，受
25、主态存在于能带的上半部分，而施主态存在于能带的下半部分。若费米能级低于受主态，那么受主态是中性的，一旦费半部分。若费米能级低于受主态，那么受主态是中性的，一旦费米能级位于其上时它将是负电性的。若费米能级高于施主态，那米能级位于其上时它将是负电性的。若费米能级高于施主态，那么施主态是中性的，一旦费米能级位于其下时它将是正电性的。么施主态是中性的，一旦费米能级位于其下时它将是正电性的。因此界面电荷是因此界面电荷是MOS电容器栅压的函数。电容器栅压的函数。 界面陷阱的影响界面陷阱的影响: : 堆积状态堆积状态堆积状态：界面陷阱带堆积状态：界面陷阱带正电，正电，C-V曲线左移，曲线左移，平带电压更负平
26、带电压更负例图例图:需要额外牺牲三个负电荷来中需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电和界面态的正电,所以平带电压更负所以平带电压更负- - - - - -+ 施主态容易放出电子带正电施主态容易放出电子带正电50堆积模式时堆积模式时p型衬底型衬底MOS电容能带图电容能带图禁带中央：界面陷阱不带禁带中央：界面陷阱不带电，对电，对C-V曲线无影响曲线无影响界面陷阱的影响界面陷阱的影响: : 本征状态本征状态51界面处费米能级和本征费米能级重合；所有的界面态界面处费米能级和本征费米能级重合；所有的界面态为中性，这种特定的偏置情况称为禁带中央。为中性，这种特定的偏置情况称为禁带中央。反型状态：界面陷阱
27、带反型状态：界面陷阱带负电，负电，C-V曲线右移，曲线右移，阈值电压更正。阈值电压更正。界面陷阱的影响界面陷阱的影响: : 反型状态反型状态例图例图:需要额外牺牲三个正电荷来中需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电和界面态的负电,所以阈值电压升高所以阈值电压升高_ _ _ +受主态容易接受电子带负电受主态容易接受电子带负电5253C-V测量方法测量方法可作为半导体器件过程控制的判别工具。可作为半导体器件过程控制的判别工具。对于给定的对于给定的MOS器件，理想器件，理想C-V曲线能够确定下来，曲线能够确定下来，平移量大小能够确定出界面态密度。平移量大小能够确定出界面态密度。高频高频C-V特性测
28、量装置示意图特性测量装置示意图小节内容小节内容54氧化层电荷及界面态对氧化层电荷及界面态对C-V曲线的影响曲线的影响氧化层电荷影响及曲线氧化层电荷影响及曲线界面态概念界面态概念界面态影响概念曲线界面态影响概念曲线实例实例如何测如何测C-V曲线曲线如何看图解释出现的现象如何看图解释出现的现象5.1 MOS场效应晶体管基础场效应晶体管基础n5.1.1双端结构双端结构n5.1.2电容电压特性电容电压特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4频率限制特性频率限制特性n5.1.5技术技术n5.1.6小结小结5.1.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理56MOSFET结构结构电流电流-电压关
29、系电压关系概念概念电流电流-电压关系电压关系推导推导跨导跨导衬底偏置效应衬底偏置效应MOS场效应晶体管的电流，是场效应晶体管的电流，是电荷在反型层或者电荷在反型层或者与氧化层半导体界面相邻的沟道区中流动与氧化层半导体界面相邻的沟道区中流动形成。形成。前面讨论了增强型前面讨论了增强型MOS电容中反型层电荷的形成电容中反型层电荷的形成机理。还可以制造出耗尽型的器件，这种器件在零机理。还可以制造出耗尽型的器件，这种器件在零栅压时沟道就已经存在了。栅压时沟道就已经存在了。N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管场效应管的结构示意图的结构示意图BPGN+N+氮氮氮氮SDSiO2Ltox结构结构 在一块掺
30、杂浓度较低的在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻工型硅衬底上，用光刻工艺扩散两个高掺杂的艺扩散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引出两个型区引出两个电极，一个是电极，一个是漏极漏极D，一个是，一个是源极源极S。57 然后在半导体表面覆盖一然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏绝缘层，在漏源极间源极间的绝缘层上再装上一个铝的绝缘层上再装上一个铝电极电极,作为作为栅极栅极G。 在在p型半导体型半导体衬底衬底上也引出上也引出一个一个电极电极B，这就构成了一，这就构成了一个个N沟道增强型沟道增强型MOS管。管。沟道长度沟道长度 L(跟工艺水平有关跟工艺水平
31、有关)沟道宽度沟道宽度 W栅氧化层厚度栅氧化层厚度 tox2.基本基本参数参数MOSFET结构结构SGDB3. 符号符号源极源极 Source漏极漏极 Drain栅极栅极 Gate三极管就是一条电流的通道，有一三极管就是一条电流的通道，有一个电极控制电流的通与断，在这条个电极控制电流的通与断，在这条通道上，通道上，电流出发的一端叫做源极电流出发的一端叫做源极，而而电流到达的一端叫做漏极电流到达的一端叫做漏极，控制控制电流通断的电极叫做栅极电流通断的电极叫做栅极。结型场管脚识别结型场管脚识别场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体
32、管的发射极和集电极。将万用表置于对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R1k档，档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数管脚间的正、反向电阻相等，均为数K时，则这两个管脚为时，则这两个管脚为漏极漏极D和源极和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对。对于有于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。地）。 MOSFET分类(1)n沟道沟道MOSFETp型衬底，型衬底，n型沟道，电子导电型沟
33、道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏，使电子从源流到漏p沟道沟道MOSFETn型衬底，型衬底，p型沟道，空穴导电型沟道，空穴导电VDS0，使空穴从源流到漏，使空穴从源流到漏按照导电类型的不同可分为：按照导电类型的不同可分为：60MOSFET分类(2)n沟道沟道增强型增强型MOSFETn沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，零栅压时已存在反型沟道，VTN0按照零栅压时有无导电沟道可分为：按照零栅压时有无导电沟道可分为：61基本上是一种左右对称的拓扑结基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在构，它是在P型半导体上生成一层型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工薄膜绝缘
34、层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的艺扩散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引出电极。型区引出电极。MOSFET分类(3)p沟道沟道增强型增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，零栅压时不存在反型沟道，VTP062p沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET增强型：栅压为增强型：栅压为0时不导通时不导通N沟（正电压开启沟（正电压开启 “1”导通）导通）P沟（负电压开启沟（负电压开启 “0”导通）导通）63耗尽型：栅压为耗尽型：栅压为0时已经导通时已经导通N沟（很负才关闭）沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）沟（很正才关闭）5.1.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管工作原理场效应管工作原理
35、1.栅源电压栅源电压VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响对半导体表面空间电荷区状态的影响( (1) ) VGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD 当当VGS 逐渐增大时，栅逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+64( (2) ) VGS 00逐渐增大逐渐增大 栅氧化层中的场强越来越大，栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥它们排斥P型衬底靠近型衬底靠近 SiO2 一侧一侧的空穴，的空穴，形成由
36、负离子组成的耗形成由负离子组成的耗尽层。尽层。增大增大 VGS 耗尽层变宽。耗尽层变宽。 当当VGS继续升高时继续升高时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，的作用下，ID将进一步增加将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型层反型层iD由于吸引了足够多由于吸引了足够多P型衬底的电子，型衬底的电子，会在耗尽层和会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层之间形成可移动的表面电荷层 反型层、反型层、N 型导型导电沟道电沟道。这时，在这时，在VDS的作用下就会形成的作用下就会形成ID。( (3) ) VGS
37、继续增大继续增大 弱反型弱反型 强反型强反型VDS65 阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用源电压。用VT表示。表示。阈值电压阈值电压MOS场效应管利用场效应管利用VGS来控制半导体表面来控制半导体表面“感应电感应电荷荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。 MOSFET是一种电压控制型器件。是一种电压控制型器件。 MOSFET能够工作的能够工作的关键关键是半导体是半导体 表面表面必须必须有导电沟道有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。
38、形成。 662. VDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导电沟道呈现一个楔形。靠近导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。漏端的导电沟道减薄。 VDS 0，但值较小时：，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGSVDSVGSEL 673
40、的漏端产生零反型层电荷密度的漏源电压漏源电压VDS（Sat ）=VGS-VTVT VGS /VID /mAO2 2）转移特性曲线）转移特性曲线( (假设假设VDS=5V) ) a. VGS VT 器件内存在导电沟道，器件内存在导电沟道，器件处于器件处于导通导通状态，有输状态，有输出电流。且出电流。且VGS越大，沟越大，沟道导电能力越强，输出道导电能力越强，输出电流越大电流越大 转移特性曲线. N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构1、 结构结构2、 符号符号
41、SGDB70ID/mAVGS /VOVP(b)(b)转移特性转移特性IDSS(a)(a)输出输出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，加正向电压，产生漏极电流产生漏极电流ID,此时的漏极电流此时的漏极电流称为称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示表示b. 当当VGS0时，时，ID进一步增加进一步增加。c. 当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小的减小漏极电流逐渐漏极电流逐渐减小减小。直至。直至ID=0。对应对应ID=0的的VGS称为夹断电压，称为夹断
43、增强型和耗尽型增强型和耗尽型两种形式。两种形式。 NMOSNMOS和和PMOSPMOS结构十分相似，只是两者的结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类衬底及源漏区掺杂类型刚好相反型刚好相反。 特性曲线：输出特性曲线特性曲线：输出特性曲线(非饱和区、饱和区、击穿区非饱和区、饱和区、击穿区) 转移特性曲线转移特性曲线(表征了表征了VGS对对ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗尽耗尽 弱反型弱反型 强反型强反型 VDS ：减薄减薄 夹断夹断 扩展扩展 耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点。同点。定性分析
44、定性分析电流电压关系电流电压关系数学推演数学推演*分析前，做如下基本假设：沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）栅氧化层中无电流栅氧化层中无电流缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上 的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上 的电场变化的电场变化 (近似认为方向为常数近似认为方向为常数)氧化层中的所有电荷均可等效为氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO2界面处的有效电荷密度界面处的有效电荷密度耗尽层厚度沿沟道方向上是一耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数个常数沟道中的载流子迁移率与空间沟道
45、中的载流子迁移率与空间 坐标无关坐标无关衬底与源极之间的电压为零衬底与源极之间的电压为零xEyExy74xxE)(EnxyenJ电流密度电流密度:(漂移电流漂移电流密度为密度为)I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：方向的电流强度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy WWdz0 xEnnWQ 反型层中平行于沟道方向的电场：反型层中平行于沟道方向的电场：dxdVxxExxnndVIWQdx75I-V特性: 电中性条件0(max)SDnssmQQQQ76利用电荷中和概念，有：利用电荷中和概念，有：高斯高斯定理定理123456n1122
50、ds=-Vsd Vgs=-Vsg,等等82只要将只要将n沟道公式中的沟道公式中的VDS、VGS、VT换成换成VGD、VSG、-VT，即可得，即可得到到p沟道的公式。注意沟道的公式。注意p沟增强型沟增强型VT0，而，而p沟耗尽型沟耗尽型VT0,即即Vb更负（这样才反偏）更负（这样才反偏）在沟道源端感应出在沟道源端感应出来的电子全跑掉了来的电子全跑掉了85N沟沟MOSFET所加电压示意图所加电压示意图衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压衬底偏压表面准费米能级表面准费米能级反型条件反型条件耗尽层电荷耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：不同衬偏电压条件下的能带图：0SBV0SBV86衬底偏置效应(3)：
51、现象87反型层电子势能比源端电子势能高反型层电子势能比源端电子势能高电子更容易从反型电子更容易从反型层流到源区层流到源区达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；达到反型所需的电子浓度需更高的栅压；反型层反型层- -衬底之间的电势差更大衬底之间的电势差更大表面耗尽层更宽、电荷表面耗尽层更宽、电荷更多更多同样栅压下反型层电荷更少；同样栅压下反型层电荷更少；表面费米能级更低表面费米能级更低要达到强反型条件需要更大的表面要达到强反型条件需要更大的表面势。势。衬底偏置效应(4)：阈值电压负的耗尽层负的耗尽层电荷更多电荷更多需更大的正栅压才能反型，需更大的正栅压才能反型，且且VSB越大，越大，VT越大越大体效
52、应系数体效应系数88当当VSb0时，空间电荷密度的变化量为：时，空间电荷密度的变化量为：为了能够达到阈值条件，所加栅压必须增大，阈值电压改变量为：为了能够达到阈值条件，所加栅压必须增大，阈值电压改变量为：小节内容小节内容89衬底偏置效应衬底偏置效应P阱更负，阱更负，n管阈值上升管阈值上升N衬底更正，衬底更正，p管阈值更负管阈值更负此种类型偏置经常做模拟用途。此种类型偏置经常做模拟用途。P351 例例3.11.10：计算由于源：计算由于源-衬底偏压引起的衬底偏压引起的阈值电压的该变量。阈值电压的该变量。T=300K，Na=31016cm-3，tox=500埃，埃，VSB=1VVT=0.66V5.
53、1 MOS场效应晶体管基础场效应晶体管基础n5.1.1双端结构双端结构n5.1.2电容电压特性电容电压特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4频率限制特性频率限制特性n5.1.5技术技术n5.1.6小结小结在许多实际应用中，在许多实际应用中，MOSFET被用于线性放大电被用于线性放大电路。用路。用MOSFET的小信号等效电路可以从数学上的小信号等效电路可以从数学上对电子电路进行分析。对电子电路进行分析。等效电路包括产生频率效应的电容和电阻。等效电路包括产生频率效应的电容和电阻。小信号等效电路小信号等效电路限制限制MOSFET频率响应的物理因素频率响应的物理因素定义晶体管截止频率并推
54、导出其表达式定义晶体管截止频率并推导出其表达式。小信号等效电路MOSFETMOSFET的小信号等效电路可由基本的的小信号等效电路可由基本的MOSFETMOSFET结构示意结构示意图推导出来。图推导出来。源极串源极串联电阻联电阻栅源交栅源交叠电容叠电容漏极串漏极串联电阻联电阻栅漏交栅漏交叠电容叠电容漏漏-衬底衬底pn结电容结电容栅源电容栅源电容栅漏电容栅漏电容跨导跨导寄生参数寄生参数本征参数本征参数925.1.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路总的栅源电容总的栅源电容总的栅漏电容总的栅漏电容与与ID-VDS曲线、简化的小信号等效电路包含包含源电阻源电阻rs的简化共的简化共源源n沟沟MOSFET低频小低频小信号等效电路信号等效电路msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr 11)1 ()(的的影影响响串联电阻串联电阻rd和和rs被忽略被忽略，只，只计计rds；输入栅极阻抗无限大输入栅极阻抗无限大94只计入本征参数只计入本征参数简化的共源简化的共源n沟沟MOSFET低频小信号等效电路低频小信号等效电路MOSFET频率限制因素限制因素限制因素1：沟道载流子从源：沟道载流子从源到漏运动需要时间到漏运动需要时间710 cm/s; 1msa
57、路消去电压变量消去电压变量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RVgsTMgsjCCV96限制因素限制因素2：对栅电极或电容充电需要时间：对栅电极或电容充电需要时间输入栅电极的各电流相加，得输入栅电极的各电流相加，得密勒电容等效)1 (LmTgdMRgCC密勒电容只计入本征参数只计入本征参数器件饱和时，器件饱和时，Cgd=0，寄生电容成为影响输寄生电容成为影响输入阻抗的重要因素。入阻抗的重要因素。97密勒电容的作用是将跨越密勒电容的作用是将跨越输入输入-输出端的电容等效到输出端的电容等效到了输入端。了输入端。截止频率推导igsTMgsdmgsIjCCVIg V输入电流输出电流12 ()2d
58、immmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC跨导截止频率等效输入栅极电容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWCgVVLgdpgsp在理想情况下，交叠或寄生电容C ,C=0饱和区截止频率：电流增益为截止频率：电流增益为1时的频率。时的频率。22()2nnGSTTVVfLL迁移率沟道长度的平方提高频率特性：提高频率特性：提高迁移率提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨；减小寄生电容；增大跨导。12()dmigsTMIgIf CC电流增益985.1 MOS场效应晶体管基础场效应晶
59、体管基础n5.1.1双端结构双端结构n5.1.2电容电压特性电容电压特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4频率限制特性频率限制特性n5.1.5技术技术n5.1.6小结小结5.1.5 CMOS技术 什么是CMOS？n沟沟MOSFETp沟沟MOSFET100CMOS（Complementary MOS，互补金属氧化物半导体）互补金属氧化物半导体）使使n沟沟MOSFET与与p沟沟MOSFET取长补短取长补短实现低功耗、全电平摆幅实现低功耗、全电平摆幅数字逻辑电路的首选工艺数字逻辑电路的首选工艺场氧（用作场氧（用作管间、互连管间、互连-衬底间隔离）衬底间隔离）栅氧（用栅氧（用作作MOS电
60、电容的介质）容的介质）通常接电路通常接电路最低电位最低电位通常接电路通常接电路最高电位最高电位CMOS工艺中：首先要工艺中：首先要有浓度很低的有浓度很低的n型硅衬底，型硅衬底，以容纳以容纳p沟沟MOSFET；再；再在形成的在形成的p型扩散区，即型扩散区，即所谓的所谓的p阱中生成阱中生成n沟沟MOSFET。（1 1）CMOSCMOS电路电路（2 2）器件结构）器件结构-V+V输入输入输出输出N型衬底型衬底输出输出P阱阱+V-V输入输入* *问题：闩锁效应问题：闩锁效应（四层（四层pnpnpnpn结结构中高电流、低电压的情形）构中高电流、低电压的情形）优点：优点：互补，一开一关；互补，一开一关；电
61、流小，功耗低；电流小，功耗低；充放电回路短，速度快；充放电回路短，速度快；线性好，温漂小。线 MOS场效应晶体管基础场效应晶体管基础n5.1.1双端结构双端结构n5.1.2电容电压特性电容电压特性n5.1.3基本工作原理基本工作原理n5.1.4频率限制特性频率限制特性n5.1.5技术技术n5.1.6小结小结5.1.6 小结小结 1 1103MOS电容电容是是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于可以处于堆积堆积、平带平带、耗尽耗尽、本征本征、弱反型弱反型、强反型强反型等状态。等状态。 MOSFET导通时工作在强反型状态。导通
62、时工作在强反型状态。栅压、功函数差、氧化层电荷栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲都会引起半导体表面能带的弯曲或或表面势表面势。表面处于平带时的栅压为表面处于平带时的栅压为平带电压平带电压，使表面处于强反型的栅压，使表面处于强反型的栅压为为阈值电压阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。电荷、氧化层厚度等有关。C-V曲线常用于表征曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使电容的性质，氧化层电荷使C-V曲曲线平移，界面陷阱使线平移，界面陷阱使C-V曲线变缓。曲线变缓。MOSFET根据栅压的变化可以
63、处于根据栅压的变化可以处于导通（强反型）导通（强反型）或者或者截止截止状态状态，故可用作，故可用作开关开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作引起漏源电流的较大变化，故可用作放大放大。5.1.6 小结小结 2104MOSFET可以分为可以分为n沟道、沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的类型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。特性曲线特性曲线和和特性函数特性函数是描述是描述MOSFET电流电流-电压特性的主要方电压特性的主要方式式
64、。跨导跨导和和截止频率截止频率是表征是表征MOSFET性质的性质的两个最重要的参数两个最重要的参数。根据根据MOSFET的的转移特性转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；），可分为导通区和截止区；根据根据MOSFET的的输出特性输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和），可分为线性区、非饱和区和饱和区。区和饱和区。影响影响MOSFET频率特性的因素有频率特性的因素有栅电容充放电时间栅电容充放电时间和和载流子沟载流子沟道渡越时间道渡越时间，通常前者是决定，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因截止频率的主要限制因素。素。CMOS技术使技术使n沟沟MOSFET和和p沟沟MO
65、SFET的优势互补，但可的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。能存在闩锁等不良效应。5.2 5.2 MOSFET：概念的深入：概念的深入1055.2.1 非理想效应非理想效应5.2.2 MOSFET按比例缩小理论按比例缩小理论5.2.3 阈值电压的修正阈值电压的修正5.2.4 附加电学特性附加电学特性5.2.5 辐射和热电子效应辐射和热电子效应*MOSFET的非理想效应改变理想特性。的非理想效应改变理想特性。非理想效应非理想效应: 亚阈值电导亚阈值电导，沟道长度调制沟道长度调制，沟道沟道迁移率的变化迁移率的变化以及以及载流子速度饱和载流子速度饱和。5.2.1 非理想效应非理想效应 亚阈值电流:
66、 定义106TGSVV 亚阈值电流亚阈值电流区区半半导导体体表表面面处处于于弱弱反反型型fpsfp 2 在理想电流电压关系中，当栅源电压小于或等于阈值电压在理想电流电压关系中，当栅源电压小于或等于阈值电压时漏电流为零。而在实验中，当时漏电流为零。而在实验中，当VGSVT时，时，ID并不为零。下并不为零。下图是已经推导出的理想特性与实验结果之间的对比示意图。图是已经推导出的理想特性与实验结果之间的对比示意图。VGSVT时的漏电流称为亚阈值电流。时的漏电流称为亚阈值电流。亚阈值电流: 比较施加小的漏电压时，施加小的漏电压时，n沟沟道道MOSFET沟道表面势沟道表面势示意图示意图堆积状态堆积状态：势垒很高势垒很高电子无法跃过电子无法跃过无法形无法形成表面电流成表面电流弱反型状态弱反型状态：势垒较低势垒较低电子有一定的几率越过势电子有一定的几率越过势垒垒形成亚阈值电流形成亚阈值电流强反型状态强反型状态：势垒极低势垒极低大量大量电子越过势垒电子越过势垒形成形成沟道电流沟道电流107亚阈值电流: 电压特性无无关关即即与与，略略大大时时，如如漏漏源源电电压压DS（sub)DDSDSVITkTeVVK
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