第七章MOS场效应晶体管

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1、微 电 子 器 件 原 理第七章 MOS场效应晶体管2第七章 MOS场效应晶体管7.1 基本结构和工作原理7.2 阈值电压7.3 I-V特性和直流特性曲线7.4 频率特性7.5 功率特性和功率MOSFET结构7.6 开关特性7.7 击穿特性7.8 温度特性7.9 短沟道和窄沟道效应37.1 MOSFET基本结构和工作原理一、MOSFET的基本结构二、MOSFET的基本工作原理三、MOSFET的分类4一、MOSFET的基本结构N沟道增强型MOSFET结构示意图7.1 MOSFET基本结构和工作原理图7-1 n沟MOSFET结构示意图 5一、MOSFET的基本结构7.1 MOSFET基本结构和工作

2、原理67一、MOSFET的基本结构7.1 MOSFET基本结构和工作原理87.1 MOSFET基本结构和工作原理9二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应” 当当VGS=0V时，漏源之间相当两个背时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在靠背的二极管，在D、S之间加上电压不之间加上电压不会在会在D、S间形成电流。间形成电流。 当栅极加有电压当栅极加有电压0VGSVT时，通过时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的

3、现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流以形成漏极电流ID。7.1 MOSFET基本结构和工作原理图7-2 MOSFET的物理模型10二、MOSFET的基本工作原理7.1 MOSFET基本结构和工作原理11二、MOSFET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响7.1 MOSFET基本结构和工作原理12二、MOSFET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响7.1 MOSFET基本结构和工作原理13三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFE

4、T耗尽型增强型耗尽型增强型衬底p型n型S、D区n+区p+区沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向由DS由SD阈值电压VT0VT0VT0，则则也应减去相应电压也应减去相应电压33347.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过通过费米势（以及功函数）费米势（以及功函数）影响影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDFniAFpnNqkTnNqkTlnln 每每2个数量级约个数量级约0.1V(eV)影响不大影响不大真空真空E0EFMEcEvEFSEi

5、Ec(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c357.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过通过场感应结耗尽层空间电荷场感应结耗尽层空间电荷影响影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20设体效应系数体效应系数msiABSFoxoxTnVnNqkTVyVCQVln2)(221 36msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(2212

6、10 衬底杂质浓度越大，衬底杂质浓度越大，其变化对其变化对VT的影响越的影响越大，是因为杂质浓度大，是因为杂质浓度越大，越不易达到表越大，越不易达到表面强反型面强反型图7-10 衬底杂质浓度对阈值电压的影响 37衬底反偏衬底反偏VBS通过通过NA(ND) 影响影响QBmax，从而改变从而改变VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 即不同的即不同的 NA下，下，VBS对对VT的影响也不同的影响也不同 1)22()2(21)2(2121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVCQqNCVqNCV向负方向漂移（更负）增大，即随对于向正

7、方向漂移（更正）增大，即随对于TpBSTpBTnBSTnBVVVQVVVQ, 0, 0MOS,沟p, 0, 0MOS,沟nmaxmax 越大下，）越大，同样（增大；且增大，总之，TBSDATBSVVNNVV 38越大下，同样）越大，（且增大；增大，总之，TBSDATBSVVNNVV 1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响图7-11 衬底偏置电压所产生的阈值 电压漂移随衬底浓度的变化 391.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响iAFnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1

8、 c c210maxmax2sdBVqNxqNQ衬底杂质浓度衬底杂质浓度N可以通过可以通过F、Vms及及QBmax影响影响VT，其中影响其中影响最大者为最大者为QBmax，故现代故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部沟道区局部N来调整来调整VToxsoxBTCqNCQVmax Ns为注入剂量综上所述：综上所述：407.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响界面态电荷界面态电荷（界面陷阱电荷）（界面陷阱电荷）半导体表面晶格周期中断，存在“悬

9、挂键”（高密度局部能级）。束缚电子带负电荷，俘获空穴则带正电荷。这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态其带电状态与能带弯曲有关，且有放电驰豫时间，应尽量降低其密度图7-12 SiO2-Si系统中的电荷41固定氧化物电荷固定氧化物电荷可动离子电荷可动离子电荷电离陷阱电荷电离陷阱电荷位于界面SiO2侧20nm的区域内，密度约1011cm-2，带正电荷。一般认为是界面附近存在未充分氧化的Si离子过剩硅离子及氧空位特点：固定正电荷，不随表面势或能带弯曲程度而变化 与硅掺杂浓度及类型无关，与SiO2膜厚度无关 与生长条件（氧化速率）、退火条件和晶体取向有关起因于进入SiO2

10、层中的Na+、K+、Li+等轻碱金属离子及H+离子特点：室温可动，温度和电场作用可使之移动。X-射线、射线、高能/低能电子束等照射SiO2膜时产生电子-空穴对，若同时存在电场，则电场使电子-空穴分离，正栅压的电场使部分电子移向栅极并泄放，多余空穴在未被硅侧电子补偿时积聚在界面附近形成正电荷层4243 上述4种电荷的作用统归于Qox等效电荷 电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷 由VT、Qox及N的共同作用使器件呈增强型或耗尽型对n-MOS：Qox若较大，则易为耗尽型。欲得增强型，需控制Qox，并适当提高衬底浓度对p-MOS：VT总

11、是负值，易为增强型。欲得耗尽型，需采用特殊工艺或结构，如制作p预反型层，或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3 /SiO2复合栅等。44n当NA1015cm-3时， VT随NA上升明显，且逐渐由负变正n随Qox增大，转变点对应的NA增大n当Qox1012cm-2时，即使NA1017cm-3，仍有VT0)，可以n提高衬底浓度NAn降低氧化层中电荷量Qox图7-13 室温下Al栅MOS结构VT随N、Qox变化的理论曲线（VBS = 0） 457.2 MOSFET的阈值电压三、关于反型程度划分的讨论 在以前的讨论中，以表面势达到2倍费米势，即反型层载流子浓度等于体内多子浓度为表面强反型的标志