尼曼半导体物理与器件第十章综述课件.ppt

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1、0,高等半导体物理与器件第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,1,主要内容,双端MOS结构电容-电压特性MOSFET基本工作原理频率限制特性小结,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,2,10.1 双端MOS结构MOSFET的核心为一个称为MOS电容的金属-氧化物-半导体结构,金属可是铝或其他金属，更为通用的是多晶硅图中tox是氧化层厚度，ox是氧化层介电常数,基本MOS电容结构,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,3,（1）能带图,借助平行板电容器加以解释,加了负栅压的p型衬底MOS电容器的电场，存在空穴堆积层,加了负栅

2、压的p型衬底MOS电容器的能带图,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,4,加了小的正栅压的p型衬底MOS电容器的电场，产生空间电荷区,加小正栅压的p型衬底MOS电容器的能带图,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,5,随着正栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面处能带继续弯曲，出现导带距费米能级更近，呈现出n型半导体特点，从而产生了氧化物-半导体界面处的电子反型层。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,6,对于n型衬底MOS电容器,正栅压,小负栅压,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,7,随着负栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面呈现出p型半导体特点，从而产

3、生了氧化物-半导体界面处的空穴反型层。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,8,（2）耗尽层厚度,电势fp是EFi和EF之间的势垒高度：,表面势s是体内EFi与表面EFi之间的势垒高度，是横跨空间电荷区的电势差。因此，空间电荷区宽度可类似单边pn结，写为,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,9,型半导体在阈值反型点时的能带图,表面处的电子浓度等于体内的空穴浓度，该条件称为阈值反型点，所加栅压为阈值电压。当外加栅压大于这一值之后，其变化所引起的空间电荷区变化很小。空间电荷区最大宽度xdT为,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,10,对于n型衬底MOS电容器,电势fn

4、同样是EFi和EF之间的势垒高度：,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,电子反型电荷密度与表面电势的关系,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,11,（3）表面电荷浓度,由第4章中可知，导带中的电子浓度写为,型半导体衬底，电子反型电荷浓度写为,其中，s是表面电势超过2fp的部分。,则，电子反型电荷浓度可写为,其中，反型临界点的表面电荷密度nst为,12,（4）功函数,金属-半导体功函数差定义为：,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,13,（5）平带电压,定义：当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压。此时净空间电荷为零。,前面的讨论中假设氧化物中的净电荷为零，而通常为正值

5、的净固定电荷可存在于氧化物中靠近氧化物-半导体界面。,平带电压为,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,14,（6）阈值电压,忽略反型层电荷，由电荷守恒原理，可得,其中,阈值电压定义：达到阈值反型点时所需的栅压。阈值反型点的定义：对于p型器件当s2fp时或对于n型器件当s2fn时的器件状态。,阈值电压可表示为：,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,15,型、n型MOS电容器栅压比较：p型MOS电容器，负栅压表明其为耗尽型器件；正偏栅压将产生更多的反型层电荷电子。n型MOS电容器，负栅压表明其为增强型器件；负偏栅压将产生更多的反型层电荷空穴。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应

6、晶体管基础,16,10.2 电容-电压特性,MOS电容结构是MOSFET的核心器件的电容定义,其中，dQ为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压dV的微分变量函数。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,17,堆积模式下栅压微变时的微分电荷分布,（1）理想C-V特性,堆积模式下MOS电容器的单位电容C，即栅氧化层电容,假设栅氧化层中和氧化层-半导体界面处均无陷阱电荷。,18,C（耗尽层）随空间电荷宽度的增大而减小,栅氧化电容与耗尽层电容串联，电压微小变化将导致空间电荷宽度和电荷密度的微小变化。总电容为,MOS电容在耗尽模式时的能带图,第十章

7、 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,19,由于达到阈值反型点时，空间电荷区宽度达到最大，此时,强反型，理想情况，MOS电容电压微小变化将导致反型层电荷微分变量发生变化，而空间电荷宽度不变。反型层电荷跟得上电容电压变化，则总电容就是栅氧化电容,型衬底MOS电容低频,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,20,通过改变电压坐标轴的符号，可得到n型衬底MOS电容器的理想C-V特性曲线。正偏压时为堆积模式，负偏压时为反型模式。,n型衬底MOS电容器理想低频电容和栅压的函数关系图,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,21,（2）频率特性,反型层中的电子浓度不能瞬间发生改变；高频时，

8、只有金属和空间电荷区中的电荷发生改变，MOS电容器的电容就是前面所述的Cmin。,反型层电荷密度改变的电子来源：一是来自通过空间电荷区的p型衬底中的少子电子的的扩散，即反偏pn结中理想饱和电流的产生；二是在空间电荷区中由热运动形成的电子-空穴对，即pn结中反偏产生电流。,反型模式,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,22,型衬底MOS电容器低频和高频电容与栅压的函数关系图,（3）固定栅氧化层和界面电荷效应,前面讨论的是理想情况下的C-V特性，实际上固定的栅氧化层电荷或氧化层-半导体界面的电荷会改变C-V特性曲线。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,第十章 金属-氧化物-半

9、导体场效应晶体管基础,23,不同有效氧化层陷阱电荷值下，p型MOS电容器高频电容与栅压的函数关系图,氧化层界面处表明界面态的示意图,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,24,当MOS电容器偏置时p型半导体中被表面态俘获的电荷及其能带图。,禁带中央,堆积模式,反型模型,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,25,MOS电容器的高频C-V特性曲线，说明界面态效应,26,10.3 MOSFET基本工作原理,MOS场效应晶体管的电路是由于反型层以及氧化层-半导体界面相邻的沟道区中的电荷的流动形成。,（1）MOSFET结构,MOSFET器件共有4种类型：n沟道增强型、p沟道增强型、n沟

10、道耗尽型、p沟道耗尽型。增强的含义：氧化层下面的半导体衬底在零栅压时不是反型的。耗尽：栅压为零时氧化层下面已经存在沟道区。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,27,n沟增强型,n沟耗尽型,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,28,（2）电流-电压关系概念,图（a），此种偏置下，无电子反型层，漏-衬底pn结反偏，漏电流为零（忽略pn结漏电流）。图（b）电子反型层产生，加一较小VDS，反型层电子从源流到漏，电流从漏到源；此理想情况，无电流从氧化层向栅流过。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,29,对于较小的VDS，沟道区具有电阻的特性,式中，gd为VDS0时的沟道

11、电导。,基本MOS晶体管的工作机理为栅压对沟道电导的调制作用，而沟道电导决定漏电流,当VGSVT时，沟道反型层电荷密度增大，从而增大沟道电导。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,30,VGSVT，VDS较小时，相对电荷密度在沟道长度方向上为一常数。,随着VDS增大，漏端附近的氧化层压降减小，意味着漏端附近反型层电荷密度也将减小。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,31,VDS增大到漏端氧化层压降为VT时，漏端反型电荷密度为0，此时漏端电导为0。,VDS VDS（sat）时，沟道反型电荷为0的点移向源端。在电荷为零的点处，电子被注入空间电荷区，并被电场扫向漏端。,第十章

12、金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,32,n沟道增强型MOSFET的ID-VDS特性曲线,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,33,n沟道耗尽型MOSFET：一种情况n沟道是由金属-半导体功函数差和固定氧化层电荷生成的电子反型层；另一种情况沟道是一个n型半导体区。负栅压可在氧化层下产生一空间电荷区，从而减小n沟道区的厚度，进而gd减小，ID减小。正栅压可产生一电子堆积层，从而增大ID。,为使器件正常截止，沟道厚度必须小于最大空间电荷宽度,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,34,（4）跨导,MOSFET的跨导gm（晶体管增益）：相对栅压的漏电流的变化。MOSFET电路设计

13、中，晶体管的尺寸，尤其是沟道宽度W是一个重要的工程设计参数。,（5）衬底偏置效应,前面讨论的情况，衬底（体）都于源相连并接地。在MOSFET电路中，源和衬底不一定是相同电势。源到衬底的pn结必须为零或反偏，以n型MOSFET为例，即VSB0。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,35,10.4 频率限制特性,（1）小信号等效电路,MOSFET被用于线性放大电路，用小信号等效电路进行分析，等效电路包括产生频率效应的电容和电阻。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,36,（2）频率限制因素与截止频率,MOSFET中有两个基本的频率限制因素。,第一个因素为沟道输运时间。,另一个因素为栅电极或电容充电时间。,共源n沟MOSFET的高频小信号等效电路,截止频率fT：器件的电流增益为1时的频率，或是当输入电流Ii等于理想负载电流Id时的频率。,37,小 结,MOS电容器的三种工作模式，以及一些关键的参数MOS电容器的理想C-V特性MOSFET的基本物理结构MOSFET的频率特性,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,谢 谢！,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,