第四章金属 氧化物 半导体场效应晶体管基础ppt课件.ppt

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1、微电子器件基础,第四章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,引言,所谓“MOS”指的仅是金属二氧化硅（SiO2）硅系统。更一般的术语是金属绝缘体半导体（MIS），其中的绝缘体不一定是二氧化硅，半导体也并非一定是硅。由于MIS系统有着类似的基本物理概念，在这一章里我们将始终讨论MOS系统。,MOSFET的基本结构,4.1 双端MOS结构,MOSFET 的核心是金属氧化物半导体电容， 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。,4.1.1 能带图,外加负栅压的MOS电容器的电场和电流,4.1.1 能带图,施加小的正偏栅压

2、后的MOS电容器,4.1.1 能带图,型衬底MOS电容器的能带图,4.1.1 能带图,n型衬底MOS电容器的能带图,4.1.2 耗尽层厚度,我们可以通过计算求出于氧化物半导体界面处的空间电荷区的宽度，下图所示为p型衬底半导体的空间电荷区示意图。,4.1.2 耗尽层厚度,4.1.2 耗尽层厚度,上图示意了s=2fp时的能带图。表面处的费米能级远在本征费米能级之上而半导体内的费米能级则在本征费米能级之下。表面处的电子浓度等于体内的空穴浓度,这种情况称为阈值反型点,所加的电压称为阈值电压。如果栅压大于这个阈值，导带会轻微地向费米能级弯曲，但是表面处导带的变化只是栅压的函数。然而，表面电子浓度是表面势

3、的指数函数。表面势每增加数伏特（kT/e），将使电子浓度以10的幂次方增加，但是空间电荷宽度的改变却是微弱的。在这种情况下，空间电荷区已经达到了最大值。,4.1.3 功函数差,如图所示为零偏压下完整的金属氧化物半导体结构的能带图,4.1.3 功函数差,如果我们把金属一侧的费米能级与半导体一侧的费米能级相加，可以得到：上式还可以写成其中：它称为金属半导体功函数差。,4.1.3 功函数差,掺杂多晶硅经常淀积在金属栅上，图a显示了具有n多晶硅栅和p型衬底的MOS电容的能带图。图b是p多晶硅栅和p型衬底的情况时的能带图。在掺杂多晶硅中，我们假设n的情况时EFEc，而p的情况时EFEv。,4.1.4 平

4、带电压,平带电压的定义为使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。由于功函数差和在氧化物中可能存在的陷阱电荷，此时穿过氧化物的电压不一定为零。,4.1.4 平带电压,在前面讨论中，我们已经隐含地假定了在氧化物中的净电荷密度为零。这种假设也许不成立通常为正值的净的固定电荷密度可能存在于绝缘体之中，这些正电荷与氧化物半导体界面处破裂或虚悬的共价键有关。在SiO2的热形成过程中，氧气穿过氧化物进行扩散并且在SiSiO2 界面处反应生成SiO2，硅原子也可以脱离硅而优先形成SiO2。当氧化过程结束后，过剩的硅原子会存在于界面附近的栅氧化层中，从而导致存在虚悬的共价键。通常，氧化电荷的多少

5、大约是氧化条件的函数，诸如氧化环境和温度等。可以通过在氩气或氮气环境中对氧化物进行退火来改变这种电荷密度。,4.1.5 阈值电压,MOSFET表面呈现强反型形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示,VOX ：栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分VS ： 栅电压VG 降落在半导体表面的部分VFB ：平带电压,4.1.5 阈值电压,强反型时的电荷分布 QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn ：反型层中电子电荷面密度 QB ：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度,4.1.5 阈值电压,理想状态MOSFET的阈值电压,1. 理想状态：Qox0，Vms0,2. 沟道形成时的临界

6、状态：Qn0,4. 出现强反型后：xd xdmax,4.1.5 阈值电压,理想假设条件下不考虑,刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内QnQB,单位面积栅电容,4.1.5 阈值电压,理想状态MOSFET的阈值电压,空间电荷区宽度(强反型时可视为np),4.1.5 阈值电压,理想状态MOSFET的阈值电压,单位面积栅电容,栅氧化层厚度,4.1.5 阈值电压,理想状态MOSFET的阈值电压,4.1.5 阈值电压,实际MOSFET的阈值电压（1）实际MOS结构的特点,4.1.5 阈值电压,（2）理论推导,NMOS：,PMOS：,4.1.5 阈值电压,（3）非平衡下之VT VDS0,4.1.5 阈值

7、电压,4.1.5 阈值电压,（4） 衬偏电压VBS0,4.1.5 阈值电压,影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox（2）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响,4.1.5 阈值电压,影响阈值电压的因素 （1）栅电容Cox选用较大介电系数的材料作栅介质膜减小氧化层厚度,4.1.5 阈值电压,（2）接触电势 尽量使得Vms=0 用硅栅工艺（用多晶硅作栅极）,4.1.5 阈值电压,（3）衬底杂质浓度的影响费米势：耗尽层电荷：Vms,NMOS,PMOS,4.1.5 阈值电压,（4）氧化层电荷密度的影响,NMOS：1）NA一定时，Qox VT （+ 0 ）2）当 时，NA 在1015

8、cm-3 仍是VTn 1015cm-3， 才形成EMOS所以，NMOS易形成耗尽型,4.1.5 阈值电压,PMOS：VTp始终小于0，为EMOS欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅,4.1.6 电荷分布,栅氧化层界面处的反型层电子浓度（p型衬底）为ns=(ni2/Na)exp(s/Vt)。硅在T300K时的杂质掺杂浓度为Na11016cm3，在阈值反型点的表面势为s=2p=0.695V。如我们先前讨论的那样，栅氧化层界面处的电子浓度为Ns11016cm3，下图所示为表面处电子浓度随着表面势的增加而增大的曲线。如前所述，表

9、面势的很小改变就可以使电子浓度迅速增加，从而使空间电荷宽度达到最大值。,4.1.6 电荷分布,当s2fp时，称为强反型，因为随着表面势的增加反型电荷密度迅速增大，如图所示。,4.2 电容-电压特性,MOS电容结构是MOSFET的核心。MOS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CV特性曲线中得到。器件的电容定义为： 其中dQ为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压的微分变量的函数。这时的电容是小信号或称ac变量，可通过在直流栅压上叠加一交流小信号电压的方法测量出。因此，电容是直流栅压的函数,4.2.1 理想C-V特性,MOS电容有三种工作状态：即堆积、耗尽和反型。图a

10、是加负栅压的p型衬底MOS电容的能带图，在栅氧化层半导体界面处产生了空穴累积层。一个小的电压微分改变量将导致金属栅和空穴累积电荷的微分变量发生变化，如图b所示。这种电荷密度的微分改变发生在栅氧化层的边缘，就像平行板电容器中的那样。堆积模式时MOS电容器的单位面积电容C就是栅氧化层电容，即,4.2.1 理想C-V特性,型衬底MOS电容器理想低频电容和栅压的函数关系图,4.2.1 理想C-V特性,n型衬底MOS电容器理想低频电容和栅压的函数关系图,4.2.2 频率特性,能使反型层电荷密度改变的电子的来源有两处。一处来自通过空间电荷区的p型衬底中的少子电子的扩散。此扩散过程与反偏pn结中产生反向饱和

11、电流的过程相同。另一处电子的来源是在空间电荷区中由热运动形成的电子空穴对。此过程与反偏pn结中产生（反偏生成）电流的过程相同。反型层中的电子浓度不能瞬间发生改变，如果施加在MOS电容的交流（ac）电压变化很快，反型层中电荷的变化将不会有所响应。因此，CV特性是交流信号频率的函数 。,4.2.2 频率特性,型衬底MOS电容器低频和高频电容和栅压的函数关系图,4.2.3 固定栅氧化层和界面电荷效应,到现在为止我们关于CV特性的所有讨论，都假设理想氧化层中不含有固定的栅氧化层电荷或氧化层半导体界面电荷。这两种电荷将会改变CV特性曲线。 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半部分。

12、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MOS电容器栅压的函数。 界面处的净电荷由正变负是由于栅压扫过了堆（累）积、耗尽和反型模式。可以看出由于固定氧化层电荷的存在CV曲线向负栅压方向移动。当界面态出现时，随着栅压的扫描平移的大小和方向均发生了改变，这是因为界面陷阱电荷的数量和正负改变了。CV曲线变得平滑了，如下图所示。,4.2.3 固定栅氧化层和界面电荷效应,4.3 MOSFET基本工作原理,MOS场效应晶体管的电流之所以存在，是由于电荷在反型层或者与氧化层半

13、导体界面相邻的沟道区中流动形成的。我们已经讨论了增强型MOS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，这种器件在零栅压时沟道就已经存在了。,4.4.1 MOSFET的基本结构,主要的结构参数：L, W, tox, NA.,4.4.2 电流电压关系概念,4.4.2 电流电压关系概念,4.4.3 电流电压关系数学推演*,在分析前，要做下列假设：沟道中的电流是由漂移而非扩散产生。栅氧化层中无电流。利用缓变沟道近似，这个近似意味着Ex为一常数。任何固定氧化层电荷等价于在氧化层半导体界面处的电荷密度。沟道中载流子迁移率为常数。,4.4.3 电流电压关系数学推演*,如下图所示，图（a）为沿沟道

14、x点处的电势（b）为x点处MOS结构能带图,推导可知：,4.4.4 跨导,如果我们考虑工作在非饱和区的n沟MOSFET，可得：在非饱和区，跨导随VDS线性变化，而与VGS无关。工作于饱和区的n沟MOSFET的IV特性由下式给出。这时的跨导为：在饱和区，跨导随VGS线性变化，而与VDS无关。跨导是器件结构、载流子迁移率和阈值电压的函数。随着器件沟道宽度的增加、沟道长度的增加或氧化层厚度的减小，跨导都会增大。在MOSFET电路设计中，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。,4.4.5 衬底偏置效应,当在反偏源衬底结上施加一个电压时，氧化层下的空间电荷宽度从初始值xdT开始增加。

15、当VSB0时，有更多的电荷与此区有关。考虑到MOS结构的电荷中性条件，金属栅上的正电荷必须增多以补偿负空间电荷的增多，从而达到阈值反型点。因此当VSB0时，n沟MOSFET的阈值电压增加。,4.4 频率特性,在许多实际应用中，MOSFET被用于线性放大电路。用MOSFET的小信号等效电路可以数学上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。我们首先说明小信号等效电路，然后讨论限制MOSFET频率响应的物理因素。还要定义晶体管截止频率并推导出其表达式。,4.4.1 小信号等效电路,交流小信号下MOSFET的工作特点,4.4.1 小信号等效电路,（1）电流方程输入端：输出端：,4.4

16、.1 小信号等效电路,（2）本征等效电路Rgs=2/5 Ron1/gd =rd,4.4.1 小信号等效电路,（3）实际等效电路RS：源极串联电阻RD：漏极串联电阻Cgs：栅源寄生电容Cgd：栅漏寄生电容CDS：漏极和衬底之间寄生电容,4.4.1 小信号等效电路,1、 跨导截止频率（1）高频跨导gm()电流改变量相同：,4.4.1 小信号等效电路,1、 跨导截止频率（2）跨导截止频率：,4.4.1 小信号等效电路,2、截止频率fT流过Cgs的电流交流短路输出电流时的频率寄生电容的影响： fT会降低,总输入电容,4.4.1 小信号等效电路,3、提高截止频率的措施L降低，可缩短沟道渡越时间增大，选择

17、高的材料，工艺用NMOS减少界面态、表面态 采用埋沟器件，避免表面散射的影响减小寄生电容,4.4.2 频率限制因素与截止频率,在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。如果我们假设载流子在其饱和漂移速度Vsat下行进，那么输运时间为tL/Vsat，其中L为沟道长度。若Vsat107cm/s，L1m，则t10ps，它可以转换为最大频率，即100GHz。这个频率比MOSFET的典型最大频率响应还要大。载流子通过沟道的输运时间通常不是MOSFET频率响应的限制因素。另一个因素为栅或电容充电时间。如果忽略rs、rd、rds和Cds，得到的等效小信号电路如图所示，其中RL为负载

18、电阻。,4.5 CMOS技术,在集成电路中为了构成n沟和p沟晶体管，形成p衬底和n衬底区的绝缘是必须的。p阱工艺在CMOS电路中是一种常用的技术。在这种工艺中，首先要有一个很低浓度的n型硅衬底，以容纳p沟MOSFET。再在p型扩散区，即所谓的p阱中生成n沟MOSFET。通常，p型衬底的掺杂浓度必须大于n型衬底的掺杂浓度，才能得到希望的阈值电压。更大的p型掺杂能够较容易地补偿初始n型掺杂，从而形成p阱。,4.6 小结,这一章讨论了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的基本物理结构和特性。MOSFET的核心为MOS电容器。与氧化层半导体界面相邻的半导体能带是弯曲的，它由加在MOS电容器上的

19、电压决定。表面处导带和价带相对于费米能级的位置是MOS电容器电压的函数。氧化层半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由p型到n型发生反型，或者通过施加负偏栅压由n型到p型发生反型。因此，在与氧化层相邻处产生了反型层流动电荷。基本MOS场效应原理是由反型层电荷密度的调制作用体现的。讨论了MOS电容器的CV特性。例如，等价氧化层陷阱电荷密度和界面态密度可由CV测量方法决定。两类基本的MOSFET为n沟和p沟，n沟中的电流是由于反型层电子的流动，p沟中的电流是由于反型层空穴的流动。这两类器件都可以是增强型的，此时在通常情况下器件是“关”的，需施加一个栅压才能使器件开启；也都可以是耗尽型的，此时在

20、通常情况下器件是“开”的，需施加一个栅压才能使器件关闭。,平带电压为满足平带条件时所加的栅压，这时导带和价带不发生弯曲，并且半导体中没有空间电荷区。平带电压是金属氧化层势垒高度、半导体氧化层势垒高度以及固定氧化层陷阱电荷数量的函数。阈值电压是指达到阈值反型点时所加的栅压，此时反型层电荷密度在大小上等于半导体掺杂浓度。阈值电压是平带电压、半导体掺杂浓度和氧化层厚度的函数。MOSFET中的电流是由于源漏之间反型层载流子的流动。反型层电荷密度和沟道电导由栅压控制，这意味着沟道电流也被栅压控制。当晶体管偏置在非饱和区（VDSVDS(sat)）时，反型电荷密度在漏端附近被夹断，此时理想漏电流仅是栅压电压的函数。,习题,1.考虑一个tOX=450A的铝栅-二氧化硅-p型硅MOS结构。硅掺杂浓度为Na=21016cm-3，平带电压为VFB=-1.0V。确定固定氧化层电荷Qss2.一个理想MOS电容器由本征硅和n+多晶硅栅制成。（a）绘出达到平带条件时MOS结构的能带图。（b）绘出低频时栅压从负到正范围的C-V特征曲线。4.考虑一个p沟MOSFET，tOX=600A，Nd=5 1015cm-3。求体-源电压VBS，其中VBS=0曲线上的VT=-1.5V。,