第7章-MOS场效应晶体管课件.ppt
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- MOS 场效应 晶体管 课件
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1、1 微电子器件原理第7章 MOS场效应晶体管27.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构37.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构47.1 MOSFET基本工作原理和分类二、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靠背的 二极管,在二极管,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
2、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。57.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理67.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理77.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响87.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSF
3、ET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响97.1 MOSFET基本工作原理和分类三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFET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27287.2 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)通过费米势(以及功函数)影响通过费米势(以及功函数)影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiD
4、FniAFpnNqkTnNqkTlnln 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E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c297.2 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)通过场感应结耗尽层空间电荷影响通过场感应结耗尽层空间电荷影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20设体效应系数体效应系数msiABSFo
5、xoxTnVnNqkTVyVCQVln2)(221 30oxAoxoxoxoxoxAdNqdCqFCNF 00002231msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 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的影响的影响越大,是因为杂质越大,是因为杂质浓度越大,越不易浓度越大,越不易达到表面强反型达到表面强反型32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
6、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 33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341.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬
7、底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响iAFnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1 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:357.2 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.
8、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36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
9、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3738 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。
10、欲得增强型,需控制Qox,并适当提高衬底浓度对p-MOS:VT总是负值,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。39n当Qox1012cm-2时,即使NA1017cm-3,仍有VT0n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 所以,欲获得增强型(VT0),可以n提高衬底浓度NAn降低氧化层中电荷量Qox407.2 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
11、型的标志 实际上,MOS器件工作在不同的栅压下,其反型程度和反型载流子浓度变化规律也不同4142kTVqikTqVpskTVqikTqVpssFsFsseneppenenn)(0)(0 MOS结构中半导体表面电荷密度与表面势的关系0000;2;0pspsFsissFspspssnppnVnpnVppnnV 反型:耗尽:平带:43002*,2*)( 0* :1BssFnBsFsFsFiFspnVQpnVEEV ,强反型很小但开始出现并,弱反型,能带由平带弯曲至,耗尽,划分 ,强反型强反型开始中反型中反型开始弱反型弱反型开始,耗尽:划分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV 2
12、*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO44弱反型区弱反型区dVs/dVGB较大,较大,且近似为常数,而强反且近似为常数,而强反型时斜率变得很小,中型时斜率变得很小,中反型区过渡反型区过渡综上所述:1、Vs=2F时,ns=pB0,但Qn很小,故在前述讨论中忽略是合理的2、 Vs=2F时,Qn很小,以至在中反型区内变化缓慢,其屏蔽作用 和xdmax的真正实现都有较大误差。故当VGB较大时,假定Vs=2F进入强反型,才不会引入太大误差。3、强反型需要Qn的屏蔽作用,使xd xdmax。 Vs=2F时,ns=pB0是以所用衬底的浓度为标准,若NA很低,则ns也将很小,故是相对标准,不能保证屏蔽
13、作用。45467.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线一、MOSFET的电流-电压特性目的:方法:获得IDS随VGS和VDS的变化关系,即),(DSGSDSVVfI )()()()()(2)()(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQyQyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd 其中,可求得由形成电流在电场作用下,沟道中根据欧姆定律: FoxBoxoxmsTCQCQVV 2max4748假设:1.源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端之间的压降可忽略2.反型层中载流子的迁移率n为常数3.沟道电流为
14、漂移电流4.沟道与衬底之间的反向泄漏电流为零5.跨过氧化层而保持反型层电荷的沿 x 方向的电场分量Ex与沟道中使载流子沿沟道长度y方向运动的电场分量Ey无关,且 即满足缓变沟道近似yExEyx 沟道电场y方向变化很小49计算:强反型情况下,离开源端y处,表面感应总电荷面密度Qs(y)()()(yQyQyQBns 沟道电流ID沿沟道y方向产生压降V(y),此时表面势FsyVyV 2)()( MOS结构强反型所需栅压FBsoxGSVyVyVV )()(其中oxoxoxsoxtyECyQyV )()()(故表面开始强反型时2)()(2)()(FBFGSoxsFBFoxsGSVyVVCyQVyVCyQ
15、V 50此时,场感应结耗尽层中(电离受主)电荷面密度2102)(2)()(FAdAByVqNyxqNyQ p-n结外加电压p-n结接触电势差则)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 说明强反型后,多余的VGS用于Qn(y)由欧姆定律dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny),()(,(),(),( 2)()(FBFGSoxsVyVVCyQ 51dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEyxyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),()(,
16、(),(),(00 )积分,则有对沟道横截面积( DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVCWyII00)()()()()( 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI n沟MOSFET基本I-V方程5221)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI 件结构和材料的参数因子,是一个取决于器称令 LCWoxn 21)(2DSDSTGSVVVV 近似线性关系与即时,当DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因为,当VDS很小时,沟道压降影响甚微,沟道中各处电子浓度近似相同,整个
17、沟道近似为一个欧姆电阻,其阻值为:TGSnoxTGSDSDSVVWLtVVIVR 1)(10 53VDSDSI IDSDSV VGSGSV VGS GS IDsatVGS-VTIDsat非饱和区非饱和区近似线性关系与即时,当DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因为,当VDS很小时,沟道压降影响甚微,沟道中各处电子浓度近似相同,整个沟道近似为一个欧姆电阻,上升变缓随项增大,增大,随着DSDSDSDSVIVV221* 因为VDS增大,沟道压降V(y)由源到漏上升,使栅绝缘层上压降由源到漏下降,反型层逐渐减薄,QB增加,Qn减小oxoxBTGDDSGSnTGSDSVCyQV
18、VVVLQVVV )(;0)(max);(时,当 此时,沟道漏端反型层消失,沟道被夹断(预夹断),漏极电流达最大值Idsat称饱和漏源电流2)(2TGSDsatVVI 沟道夹断在y=L点时对应的VDS=VGS-VT,称为饱和漏源电压VDsat=VDsat 夹断点处保持V(y)=VDsat=VGS-VT的沟道压降,并随VDS的增加而向源端移动,夹断点与沟道漏端之间形成夹断区);TDSGSGDTGSDSTGSDSVVVVVVVVVV 时,(当 增加的漏源电压降落在夹断区上,夹断区电场增大,缓变沟道近似不再成立近似在饱和区以2)(2TGSDSVVI 5455关于绝缘层中的电场Eox:在源端在源端y=
19、0,tox两侧压降两侧压降Vox为为VGS(VT),Eox由栅极指向源极由栅极指向源极随随y增大,增大,V(y),tox两侧压降为两侧压降为VGS-V(y), Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点,在夹断点,V(y)=VGS-VT(VDsat), tox两侧压降为两侧压降为VT, Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点漏端侧某处在夹断点漏端侧某处V(y)=VGS,Vox=0, Eox=0对于耗尽型对于耗尽型nMOSFET,VTVGS,则在夹断点源端侧有,则在夹断点源端侧有Eox=0金属栅极SiO2n+n+y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTE
20、ox=0VDS参见p27156曾经假设沟道载流子迁移率为常数实际上,由于Ex的散射,以及半导体表面存在更多的缺陷和其它散射中心,使沟道载流子迁移率比体内的迁移率低得多另外,迁移率的变化与垂直方向场强Ex密切相关577.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线1、输出特性曲线、输出特性曲线DsatVDSI非饱和区非饱和区饱和区饱和区截止区截止区输出特性曲线描绘IDSVDS(VGS)关系曲线分4个区:非饱和区:VDSVdsat,,IDSVDS近似线性关系,可调电阻区饱和区:VDsatVDSBVDS,沟道漏端夹断,IDS达饱和值IDsat截止区:半导体表面没有强反型导电沟
21、道,仅有反向漏电流击穿区:反偏漏-衬结击穿,IDS剧增58图(a)是以衬底电位为参考点,以VGB为参量的输出特性图(b)是以源极电位为参考点,以VGS为参量的输出特性由于参考电位的不同,图(a)相当于图(b)向右平移VSB,即VDB比VDS大VSB, VDB=VDS+VSB同时,VGB=VGS+VSB(左、右两图中对应曲线的沟道导电状况相同)59均以源极为参考电位时,随衬底反偏增大,漏极电流减小均以源极为参考电位时,随衬底反偏增大,漏极电流减小 衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽,电荷增加,反型沟道中衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽,电荷增加,反型沟道中载流子(电荷)减少,导电能力减小载流子
22、(电荷)减少,导电能力减小21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI msiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2)(21210计算电流-电压方程时仅考虑了V(y)的作用,未计入VBS607.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线2、转移特性曲线、转移特性曲线 作为电压控制器件,转移作为电压控制器件,转移特性表征栅源输入电压特性表征栅源输入电压VGS对对漏源输出电流漏源输出电流IDS的控制能力的控制能力 与与JFET一样,一样,MOSFET的转移特性可从输出特性曲的转移特性可从输出特性曲线族上得到线族上得到耗尽型MOSFET增强型
23、MOSFET61耗尽型增强型P沟n沟P沟n沟电路符号电路符号转移特性转移特性输出特性输出特性627.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数1、阈值电压阈值电压VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmaxmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 对耗尽型器件,又称对耗尽型器件,又称夹断电压夹断电压;对增强型器件,又称;对增强型器件,又称开启电压开启电压它是通过它是通过VGS的变化,使导电沟
24、道产生的变化,使导电沟道产生/消失的临界电压,是消失的临界电压,是VGS能够:能够:抵消金抵消金-半接触电势差半接触电势差补偿氧化层中电荷补偿氧化层中电荷建立耗尽层电荷(感应建立耗尽层电荷(感应结)结)提供反型的提供反型的2倍费米势倍费米势637.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数2、饱和漏源电流饱和漏源电流IDSS定义:当定义:当VGS=0时的饱和漏源电流。时的饱和漏源电流。对于对于耗尽型耗尽型MOSFET,VGS=0时已有导电沟道。时已有导电沟道。IDSS对应于对应于VGS=0时输出特性曲线饱和区的电流值,或者转移特性时输出特性曲线饱和区的电流值,或者转移
25、特性曲线与纵轴的交点。(不同于曲线与纵轴的交点。(不同于IDsat)沟取负号沟取正号pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnDSSTGSoxnDsatVDsatDSSGS 2022022)(2可见:可见:IDSS与原始沟道导电能力有关:宽长比、迁移率、原始沟道厚度与原始沟道导电能力有关:宽长比、迁移率、原始沟道厚度(VTns)、Cox 647.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数3、截止漏电流截止漏电流4、导通电阻导通电阻 对于对于增强型增强型MOSFET,VGS=0时,源、漏之间为两背靠背的时,源、漏之间为两背靠背的p-n结,结,VDS作用下,作用
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