教学PPT MOS场效应管.ppt
第11章 MOS场效应管基础,MOS电容MOS二极管在半导体器件中占有重要地位, 是研究半导体表面特性最有用的器件之一. 是现代IC中最重要器件-MOSFET的核心, 实际应用中, MOS二极管可作为储存电容器, 是电荷耦合器件(CCD)的基本组成部分. 1960年Kahng等应用氧化硅结构制出第1只MOSFET. 现在MOSFET是大规模集成电路中的核心器件.,1. MOS电容-MOS二极管 2. MOS电容器电压特性 3. MOSFET基本原理 4. MOSFET按比例缩小,11.1 MOS电容-MOS二极管,MOS电容是MOSFET的核心: 由金属/氧化物/半导体组成.,通常Si基板接地; V 0正偏压; V0反偏.,偏压,MOS二极管基本结构,氧化层厚度,金属or多晶硅,MOS电容-MOS二极管,外加电压V时, 在电极和衬底间产生静电荷类似于电容.,V,衬底,单位面积电容,单位面积电荷,电场强度,E=V/d,理想MOS二极管-能带图,V=0时, 理想p型MOS管能带图. qc为电子亲和力, qB=EF-EFi,V=0时理想MOS二极管能带图,理想 1) 零偏时, 金属功函数qm=半导体功函数qs.,2)任意偏压, MOS中电荷仅位于半导体中和金属表面, 且电量相等, 极性相反; 3) 直流偏压下, 无载流子通过氧化层.,能带图-积累,对p型半导体, 金属加负压反偏, SiO2/Si界面处产生超量空穴, 半导体表面能带向上弯. 理想MOS管, 器件内无电流, 半导体内EF维持为常数; 半导体内载流子密度与能级差关系为:,能带向上该处EFi-EFEF接近EV空穴浓度, SiO2/半导体界面空穴堆积=积累. 对应电荷分布如图.,能带图-耗尽,正偏较小, 半导体表面能带向下; 增加正偏压, 当EF=EFi, 表面多子(空穴)耗尽-耗尽;半导体中单位面积空间电荷Qsc=qNAW, W=表面耗尽区宽度,正偏压能带向下,当表面处EFiEF;在SiO2/Si界面吸引更多少子(电子); 半导体中电子浓度与EF-EFi关系为:,正偏能带图及电荷分布,F,E,V,E,C,E,F,E,V,E,C,E,F,E,V,E,EFi,C,E,p型,金属加正压正偏,能带图-反型,EF-EFi0, 半导体表面电子浓度ni, 而空穴浓度空穴(多子), 表面载流子呈现反型.,V0,EV,EFi,EC,EF,xd,EF-EFi0较小时, 表面堆积电子较少=弱反型; EF-EFi, EFEC; 当SiO2/Si界面电子浓度=衬底掺杂时, 产生强反型. 继续EF-EFi, 增加的大部分电子Qn处于窄反型层(0xxd)中; xd -反型层宽度, 典型值1nm 10nm; 且xdW.,正偏能带图及电荷分布,非平衡能带图-n型*,V电子浓度-反型.,n型,2. 耗尽层宽度,图为p型半导体表面能带图. 衬底内静电势=0, 半导体表面电势 =S(空间电荷区的电势差).电子与空穴浓度为的函数, 表面载流子浓度为:,能带向下弯曲,为正值, 由(7-9)式, 可知,各区间表面电势分为: ss0: 空穴耗尽(能带向下); s=fp: 禁带中心, npni. sfp:反型(能带向下弯曲超过EF).,-反型,耗尽层宽度电势/反型,电势为距离x的函数, 由一维泊松方程,均匀掺杂, 耗尽层内电荷,积分泊松方程, 得表面耗尽区静电势分布,其中表面电势(式7-26) (与单边突变结n+p相同),耗尽层宽度-单边突变结 (式7-29),耗尽层宽度强反型,ys=yfp时, 表面处EF=EFi, 表面开始反型; 当表面电子浓度np=NA(衬底掺杂浓度)时, 由,ys=2yfp条件称为-阈值反型点; 所加电压为阈值电压.,ys=2yfn,EFi-EF,EF-EFi,最大耗尽层宽度,qys=2qyfp,xdT,ys=2yfp时, 表面强反型, 表面电荷浓度成指数增, 表面耗尽区宽度达到最大. 因此, 表面耗尽区的最大宽度xdT,其中,掺杂浓度越高, 耗尽层宽度越小.,例*,一掺杂浓度NA=1016cm-3的理想MOS二极管, 计算其表面耗尽层的最大宽度.掺杂浓度NA=1017cm-3时, 重新计算耗尽层的最大宽度(T=300K),=0.347V,耗尽层最大宽度:,=0.3mm,解:, NA=1016cm-3时, NA=1017cm-3时,=0.409V,耗尽层最大宽度:,=0.1mm,3. 功函数差*,独立状态下, 所有能带均保持水平-平带状况. 三者结合在一起, 热平衡状态下, 费米能级为定值, 真空能级连续, 为调节功函数差, 半导体能带需向下弯曲, 如图,f¢m修正金属功函数:从金属向SiO2导带注入电子所需能量.,c¢-修正半导体电子亲和能,Vox0-零删压时SiO2上的电势差.,fs0¢-表面势.,热平衡时,半导体表面为负电荷, 金属含正电荷.,功函数差,由热平衡下MOS的能带图,=fms,金属-半导体功函数,功函数差,应用中常用简并掺杂多晶硅作栅极.图(a),(b)分别为n+和p+多晶硅作栅极时的零删压能带图.其金属-半导体功函数分别为:,n+多晶硅:,P+多晶硅:,4.平带电压,平带电压: 使半导体内没有能带弯曲所需加上的栅压.为达到理想平带状况, 需外加一相当于功函数差qms的电压.,平带时MOS能带图,前面讨论中假设SiO2中净电荷密度=0.,实际上MOS二极管受氧化层内电荷及SiO2-Si界面陷阱的影响.陷阱电荷包括界面陷阱电荷/氧化层固定电荷/氧化层陷阱电荷及可动离子电荷.,界面陷阱电荷Qit由SiO2-Si界面特性造成, 与界面处化学键有关, 而其能量位于硅的禁带中. 界面陷阱密度与晶体方向有关. 方向, 界面陷阱密度约比方向少1个数量级.,陷阱电荷*,氧化层固定电荷Qf位于距离界面3nm处. 此电荷固定不动, 即使表面电势有较大变化仍不会有充放电现象. 一般Qf为正值,与氧化/退火等条件及硅晶体方向有关. 一般认为氧化停止时,一些离子化的硅留在界面处, 这些离子与表面未完全成键的硅结合(如Si-Si或Si-O键), 可能导致正的界面电荷Qf产生.,Qf可视为是SiO2-Si界面处的电荷层. 对精心处理的SiO2-Si界面, 其氧化层固定电荷量在方向约为1010cm-2; 而在方向约为5×1010cm-2.由于方向具有较低的Qit与Qf常用硅基MOSFET.,陷阱电荷*,氧化层陷阱电荷Qot随二氧化硅的缺陷产生, 这些电荷可由如X光辐射或高能电子轰击产生. 这些陷阱分布于氧化层内部, 大部分与工艺有关, 可低温退火加以去除,钠或其他碱金属离子的可动离子电荷Qm, 在高温(如100)或强电场条件下, 可在氧化层内移动.,在高偏压及高温环境下, 碱金属离子的污染, 会降低半导体器件的稳定度. 其离子可在氧化层内来回移动, 使得C-V曲线沿电压轴产生位移. 因此, 在器件制作过程中需消除可动离子电荷.,陷阱电荷*,单位面积电荷数Q¢SS: 假设单位面积等价陷阱电荷Q¢SS位于SiO2层中且与SiO2-Si界面附近(忽略其他类型的电荷).,下面将估算上述电荷对平带电压所产生的影响.,VG=0(零删压)时电荷与电场分布,图示为零删压时MOS中电荷与电场分布. SiO2层中的正电荷在金属与半导体内感应一些负电荷. 对泊松方程式做一次积分, 可得到电场的分布情形, 如下图所示. 此处假设没有功函数差, 即qms=0,零删压时: Vox0+fs0=-fms,平带电压,为达到平带状态(即半导体内无感应电荷), 须在金属上加负电压. 负电压增加时,金属获得更多的负电荷, 电场向下偏移, 直到半导体表面的电场为零.此时半导体表面净电荷=0.,若加删压VG,氧化层的电势差和半导体表面势将发生变化,Q¢m+Q¢ss=0,设单位面积删氧化层电容为Cox ,Vox=Q¢m/Cox,平带时, 表面势fs=0 ,VG=VFB=fms-Q¢ss/Cox,平带电压*,d: 氧化层厚度; x0:陷阱电荷距金属表面的距离.,平带时, 半导体内无感应净电荷, 电场分布在金属表面至陷阱电荷的SiO2层中, 其面积即为平带电压VFB:,可见VFB与陷阱电荷密度Qss及在氧化层中的位置xo有关. 当陷阱电荷非常靠近金属,时,即xo=0, 将无法在Si中感应出电荷, 不会对VFB造成影响. 反之, 陷阱电荷非常靠近半导体时, 即xo=d, 将对VFB产生最大影响力, 并将平带电压提升为:,5. 阈值电压,阈值电压是MOSFET最重要的参数之一, 定义为达到阈值反型点时所需的删压.它反映了在表面势fs=2ffp(p型)或fs=2ffn(n型)时器件的状态.,处于阈值反型点时的电荷分布,Q¢SD(max)=eNaxdT,考虑电荷守恒 ,Q¢mT:阈值点时金属栅上单位面积电荷密度; Q¢SD(max):最大耗尽层单位面积空间电荷密度;,fs,加正偏栅压时MOS能带图,加删压, 氧化层的电势差和半导体表面势将发生变化,S,ox,G,V,V,f,D,+,D,=,加阈值电压VT时, 表面势fs=2ffp,VoxT:阈值反型点时栅SiO2上电压.,阈值电压,VoxT与金属上电荷Q¢mT及栅氧化层电容Cox的关系为:,VoxT=Q¢mT/Cox,Cox:单位面积栅氧化层电容.,阈值电压:,利用平带电压表示式:,可见, 阈值电压与半导体掺杂浓度/栅氧化层电荷/栅氧化层厚度有关.除此之外, 衬底偏压同样影响阈值电压.,阈值电压*,精确控制集成电路中MOSFET的阈值电压, 对电路而言不可或缺. 一般来说, 阈值电压可通过将离子注入沟道区加以调整.,如:穿过表面氧化层的硼离子注入通常用来调整n沟道MOSFET的阈值电压.通过精确控制杂质的数量,严格控制阈值电压. 带负电的硼受主增加沟道内掺杂的水平, 因此VT随之增加. 同样将少量硼注入p沟道MOSFET, 可降低VT的绝对值.右图为不同掺杂浓度的VT.,也可通过改变氧化层厚度来控制VT. 随氧化层厚度的增加, n沟道MOSFET的阈值电压变大, 而p沟道MOSFET将变小. 对一固定栅极电压而言, 较厚的氧化层可轻易地降低电场强度.,功函数差和衬底偏压也可用来调整阈值电压. 随衬底电压增, 阈值电压增.,4. 电荷分布*,若栅氧化层界面处反型层电子浓度:ns=(ni2/Na)exp(fs/Vi); 掺杂浓度: Na=1*1016cm-3; 阈值反型点表面势: fs=2ffp=0.695V. 栅氧化层界面处电子浓度:ns=1*1016cm-3,强反型电荷密度与表面势关系,强反型后,很小的f S变化, 使表面电子浓度变化很大耗尽层几乎不变.,表面电子密度(堆积和反型)与表面势关系,11.2 MOS电容-电压特性,MOS电容是MOSFET的核心. 从其电容-电压(C-V)特性关系可得到器件的大量信息. 器件电容定义为: C=dQ/dV,对没有功函数差的MOS结构,外加偏压降在氧化物和半导体上.,其中,MOS的C-V特性,E0=氧化层中电场; QS=半导体中单位面积电荷量; C0=eox/t=单位面积氧化层电容.,E(x),电荷分布,电场分布,电势分布,1. 理想C-V特性,MOS电容3种状态: 堆积/耗尽/反型.(假设无陷阱电荷), 堆积状态: 负偏压, 半导体表面堆积空穴Q. dVdQ; 外加偏压全降在氧化物上, MOS单位面积电容=栅氧化层电容. Cox=eox/tox,氧化层厚度,氧化层介电常数, 耗尽状态,施加小正偏压产生耗尽层; 电压降在氧化物和耗尽层上, MOS二极管的总电容C由氧化层电容C0与半导体中的势垒电容CS串联而成.,dVdQxd; 总串联电容,耗尽状态,其中,VxdC,总电容,反型状态,在阈值反型点, 耗尽层达到最大, 此时电容最小,MOS电容电压的微小变化强反型层电荷密度的变化(耗尽层宽度基本不变) 此时电容=栅氧化层电容,MOS电容的C-V特性,P衬底MOS电容的C-V特性,阈值反型点,平带时,MOS电容器理想低频电容和栅压的关系.,平带发生在堆积和耗尽之间,平带电容为:,上述各电容,一般均为pF量级.,2. 频率特性,反型模式下p型衬底MOS电容电荷分布示意如图. 电容电压的微小变化反型层电荷密度变化. 反型层电荷电子的来源: p型中少子电子的扩散; 耗尽层中的热运动形成的电子-空穴对. 高频时, 只有金属和空间电荷区内电荷变化, 反型层中的电荷不能响应电容电压的微小变化.,高频时: C=Cmin,频率特性,当测量频率足够低时, 使表面耗尽区内的产生-复合率与电压变化率相当或更快时, 电子浓度(少子)与反型层中的电荷可以跟随交流的信号变化而变化. 因此导致强反型时的电容只有氧化层电容CO. 右图为在不同频率下测得的MOS的C-V曲线, 注意低频的曲线发生在100Hz时.,3.氧化层电荷与界面电荷效应*,在平带电压部分已讨论过相关电荷统称为陷阱电荷.,当存在氧化层电荷时(不考虑界面电荷), 平带电压可表示为:,Q¢ss:固定氧化层电荷; fms: 金属-半导体功函数差.,由于Q¢ss不是栅压的函数, 不同的栅氧化层电荷将表现为C-V曲线的平移.,对于给定的MOS结构,fms与Cox是已知的可求出理想平带电压. 从测得的C-V特性曲线可得到平带电压的实验值得到固定氧化层电荷.,界面电荷效应*,在势垒二极管中已讨论过界面态.,受主型界面态:空能级时为电中性, 接受电子后带负电, 称为受主型界面态; 施主型界面态: 能级被电子占据时呈电中性, 释放电子后呈正电性, 则称为施主型界面态;,由于表面态是否被占据与费米能级有关界面电荷与栅压有关.,图示为积累模式的能带图, 施主型界面态存在净的正电荷.,若改变删压, 使能带图成图b的形式, 界面处EF=EFi所有界面态均呈电中性这种偏置状态为禁带中央.,界面电荷效应*,反型模式,CFB,同样改变删压, 使能带图成图c的形式时, 界面处EFEFi受主型界面态存在净的负电荷.,对P衬底MOS电容, 由于栅氧化层电荷的存在,使C-V曲线向负栅压方向移动. 由于界面态电荷的存在, C-V曲线不仅会产生偏移, 而且会变的平滑.,通过测量MOS的C-V特性判别器件的界面态密度等.,11.3 MOSFET基本工作原理,增强型: n沟道/ p沟道; 耗尽型: n沟道/ p沟道;,1. 基本结构,分类,3个电极: 高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅; 第4点为连接衬底的欧姆接触. 基本器件参数: 沟道长度L(两n+p冶金结间距), 沟道宽度Z, 氧化层厚度d, 结深rj及衬底掺杂浓度NA. 器件中央部分即为MOS二极管.,2. 基本工作原理, 加VGSVT(阈值电压)和较小的VDS没有形成电子反型层(导电沟道), 漏极到衬底的pn结反偏 ID=0., 加VGSVT(阈值电压)和较小的VDS 形成电子反型层(导电沟道), 电流从漏极流向源极 ID0. 此时沟道作用如同电阻, 电流ID与VDS成比例, 如图恒定电阻所示的线性区,基本工作原理,VDS较小时, 沟道表现为电阻特性,ID=gdVDS,沟道电导,mn反型层中电子迁移率; Q¢n单位面积反型层电荷量.,由器件结构参数,可得,由于Q¢n为栅压的函数gd为栅压的函数ID为栅压的函数.,对于较小的VDS, VGSVT后, 随VGS增加, 斜率增大.,基本工作原理,基本工作原理,沟道夹断后, 若VG不变, VDS持续增, 超过夹断电压的部分降落夹断区上, 夹断区随VDS增大而展宽, 夹断点向内移动, 反型层内电场增而反型载流子数减, 二者共同作用的结果是单位时间流过的载流子数(即电流)不变; 载流子漂移到夹断点, 立即被夹断区的强电场扫入D区, 形成漏源电流, 该电流不随VDS的增大而变化, 即达到饱和.,强反型时, D-S电流通过沟道时在其上产生压降, 即沟道压降=VDS 绝缘层上的有效压降从S到D端逐渐减小反型层厚度不等, 沟道中各处电子浓度不等; VD持续增加到D端的有效压降低于表面强反型所需的阈值电压VT时, 靠近D处的反型层厚度0, 此处称为夹断点, 如图.,电流电压特性*,非饱和区理想的电流-电压关系,饱和区,3. 小信号跨导,定义:相对于栅压的漏电流变化.,由式(11.58), 在非饱和区, 可得,由式(11.59), 在饱和区, 可得,小信号导纳*,定义:,由前面的式子, 在非饱和区, 可得,线性区的电阻, 称为导通电阻, 可用下式表示,4. 衬底偏置效应,VSB=0时, 有,VSB0时, 空间电荷区增, 有,衬底偏置效应,空间电荷密度变化量,阈值电压将增加, 其增量,11.4 频率特性,1. 小信号等效电路,N沟道MOSFET的固有电阻和电容.,G-D附近沟道电荷的相互作用,G-S附近沟道电荷的相互作用,G-D交叠电容,G-S交叠电容,源极电阻,漏极电阻,漏-衬底结电容,G-S间电压控制沟道电流,1. 小信号等效电路,共源n沟道小信号等效电路,内部g-s间电压控制沟道电流,总栅-漏电容,总栅-源电容,ID-VDS动态电阻,简化低频小信号等效电路,rds数值通常较大, rdsRd时, 可认为rds开路;等效电路简化为:,2. 频率限制因素与截止频率,频率限制因素1: 沟道输运时间很短不是MOSFET频率响应限制的主要因素.,频率限制因素2:栅电极电容充放电时间, 等效电路如图.,输入电流,输出D端电流和,连立消去Vd,频率限制因素与截止频率,通常wRLCgdT1, 上式简化为,截止频率fT定义为电流增益=1时的频率, 即Ii=Id时的频率.,由于 Id=gmVgs,则有,令上式=1, 可得截止频率,等效输入栅极电容,米勒变换,频率限制因素与截止频率,为提高工作频率或速度, 沟道长度要短, 载流子迁移率要高.,理想MOSFET中, Cgsp=0, Cgdp=0, 在饱和区, Cgd0, CgsCOXWL, 工作在饱和区的理想MOSFET的跨导为:,理想情况下截止频率,作业: 电容-电压特性/ MOSFET工作原理.,11.5 MOSFET按比例缩小,集成电路中,较小的器件尺寸可达到较高的器件密度. 短沟道长度可改善驱动电流(ID1/L)及工作时的特性.然而, 由于器件尺寸的缩减, 沟道边缘(如S极、D极及绝缘区边缘)的扰动将变得重要, 因此器件的特性将不再遵守长沟道近似的假设.,阈值电压是基于渐变沟道近似推导得出的, 亦即衬底耗尽区内的电荷仅由栅极电压产生的电场所感应即VT与源极到漏极间的横向电场无关然而随着沟道长度的缩减，源极与漏极间的电场将会影响电荷分布、阈值电压控制以及器件漏电等器件特性,1. 短沟道效应,按比例缩小规范,当器件尺寸缩减时,必须将短沟道效应降至最低程度,以确保正常的器件特性及电路工作. 在器件按比例缩小设计时, 一个简要维持长沟道特性的方法为将所有尺寸及电压, 除于一比例缩小因素K(1), 如此内部电场将保持如同长沟道MOSFET一般, 此方法称为恒定电场按比例缩小定律(CE).,恒定电场定律的问题,阈值电压不可能缩的太小; 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小; 电源电压标准的改变会带来很大的不便;,2. 恒定电压等比例缩小(CV律),保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变, 对其它参数进行等比例缩小; 按CV律缩小后对电路性能的提高不如CE律,且采用CV律会使沟道内的电场大大增强; CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件,不适用于沟道长度较短的器件.,按比例缩小规范(scaling rule),
