半导体器件物理课件第六章.ppt

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1、第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管,1,6.1电容6.2电容电压特性6.3基本工作原理6.4频率限制特性6.5技术6.6MOSFET概念扩展,6.1 MOS电容,6.1.1 能带图6.1.2 耗尽层厚度6.1.3 功函数差6.1.4 平带电压6.1.5 阈值电压6.1.6 电荷分布,3,6.1 MOS电容 MOS电容结构,氧化层厚度,氧化层介电常数,Al或高掺杂的多晶Si,n型Si或p型Si,SiO2,4,实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000A O:250A S:约0.51mm）,5,6.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1),负栅压情形,导带底能级,禁带中心能级,费米能级,

2、价带顶能级,6,6.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),小的正栅压情形,大的正栅压情形,(耗尽层),(反型层+耗尽层),7,6.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1),正栅压情形,8,6.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2),小的负栅压情形,大的负栅压情形,9,6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形,费米势,表面势,表面空间电荷区厚度,半导体表面电势与体内电势之差,半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示,采用单边突变结的耗尽层近似,P型衬底,10,6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形,阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度,表面空间电荷

3、区厚度,P型衬底,表面电子浓度：,体内空穴浓度：,栅电压=阈值电压,表面空间电荷区厚度达到最大值,11,6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形,阈值反型点条件：表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压,表面空间电荷区厚度,表面势,n型衬底,12,6.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图,金属的功函数,金属的费米能级,二氧化硅的禁带宽度,二氧化硅的电子亲和能,硅的电子亲和能,绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，,13,6.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,条件：零栅压，热平衡,零栅压下氧化物二侧的电势差,修正的金属功函数,零

4、栅压下半导体的表面势,修正的硅的电子亲和能,二氧化硅的电子亲和能,14,6.1 MOS电容 功函数差:计算公式,内建电势差：,15,6.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅(P-Si),0,近似相等,n+掺杂至简并,简并：degenerate 退化，衰退,16,6.1 MOS电容 功函数差:p掺杂多晶硅栅(P-Si),p+掺杂至简并,0,17,6.1 MOS电容 功函数差:n型衬底情形,负栅压的大小,18,6.1 MOS电容 平带电压:定义,MOS结构中半导体表面能带弯曲的原因金属与半导体之间加有电压（栅压）半导体与金属之间存在功函数差氧化层中存在净的空间电荷平带电压定义：使半导体表面能带

5、无弯曲需施加的栅电压来源：金属与半导体之间的功函数差，氧化层中的净空间电荷,单位面积电荷数,金属上的电荷密度,19,6.1 MOS电容 平带电压:公式,Vox0+s0=-ms,零栅压时：,单位面积电荷数,金属上的电荷密度,20,6.1 MOS电容阈值电压:公式,阈值电压：达到阈值反型点时所需的栅压,表面势=费米势的2倍,|QSDmax|=e Na xdT,忽略反型层电荷,21,费米势,表面耗尽层最大厚度,单位面积表面耗尽层电荷,单位面积栅氧化层电容,平带电压,阈值电压,6.1 MOS电容 n型衬底与p型衬底的比较,p型衬底MOS结构,n型衬底MOS结构,阈值电压典型值,金属-半导体功函数差,2

6、2,23,6.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,6.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,堆积,平带,耗尽,弱反型,强反型,24,6.2 C-V特性什么是C-V特性？,平带,电容-电压特性,25,6.2 C-V特性 堆积状态,加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容,26,6.2 C-V特性 平带状态,所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲,27,6.2 C-V特性 耗尽状态,加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容,C相当与Cox与Csd串联,28,6.2 C-V特性 强反型状态(低频),加大的正栅压且

7、栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化,29,6.2 C-V特性 n型与p型的比较,p型衬底MOS结构,n型衬底MOS结构,30,6.2 C-V特性 反型状态(高频),加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。,栅压频率的影响,31,6.2 C-V特性 氧化层电荷的影响,例图:因为Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负,32,6.3MOSFET基本工作原理,MOS结构电流电压关系概念电流电压关系推导跨导衬底偏置效应,33,6.3 MOSFET原理

8、 MOSFET结构,N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,1.结构,2.符号,3.基本参数,沟道长度 L(跟工艺水平有关)沟道宽度 W栅氧化层厚度 tox,34,6.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1),n沟道MOSFET,p型衬底，n型沟道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏,p沟道MOSFET,n型衬底，p型沟道，空穴导电VDS0，使空穴从源流到漏,按照导电类型的不同可分为：,35,6.3 MOSFET原理 MOSFET分类(2),n沟道增强型MOSFET,零栅压时不存在反型沟道，VTN0,n沟道耗尽型MOSFET,零栅压时已存在反型沟道，VTN0,按照零栅压时有无导电沟道可

9、分为：,36,6.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3),p沟道增强型MOSFET,零栅压时不存在反型沟道，VTP0,p沟道耗尽型MOSFET,零栅压时已存在反型沟道，VTP0,37,增强型：栅压为0时不导通N沟（正电压开启“1”导通）P沟（负电压开启“0”导通）,耗尽型：栅压为0时已经导通N沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）,38,6.3.2 N 沟道增强型 MOS 场效应管工作原理,1.VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响,(1)VGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,当VGS 逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？

10、,39,(2)VGS 0逐渐增大,栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 VGS 耗尽层变宽。,当VGS继续升高时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。,-,-,-,-,由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型导电沟道。这时，在VDS的作用下就会形成ID。,40,阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。,阈值电压,MOS场效应管利用VGS来控制半导体表面“感应电荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。MOSFET

11、是一种电压控制型器件。MOSFET能够工作的关键是半导体 表面必须有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。,41,2.VDS对导电沟道的影响(VGSVT),c.VDS=VGSVT，即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。VDS=VDSat,b.0VT:导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。,VDS 0，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀,d.VDSVGSVT，即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动,42,3.N 沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线,1）输出特性曲线(假设VGS=5V),输出特性曲线,饱和区,ID=IDSat,43,V

12、T,2）转移特性曲线(假设VDS=5V),a.VGS VT 器件内不存在导电沟道，器件处于截止状态，没有输出电流。,b.VGS VT 器件内存在导电沟道，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟道导电能力越强，输出电流越大,转移特性曲线,44,4.N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,1）N沟道耗尽型MOS场效应管结构,1、结构,2、符号,45,2）基本工作原理,a.当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示,b.当VGS0时，ID进一步增加。,c.当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹

13、断电压，用符号VP表示。,46,47,小 结,按照导电类型分MOS管分为NMOS和PMOS。按照零栅压时有无沟道又分为增强型和耗尽型两种形式。NMOS和PMOS结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类型刚好相反。,特性曲线：输出特性曲线(非饱和区、饱和区、击穿区)转移特性曲线(表征了VGS对ID的控制能力),工作原理：VGS：耗尽 弱反型 强反型 VDS：减薄 夹断 扩展,耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点。,定性分析,48,6.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设,沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）栅氧化层中无电流缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上 的

14、电场变化远大于平行于沟道方向上 的电场变化(近似认为方向为常数)氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO2界面处的有效电荷密度耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关衬底与源极之间的电压为零,49,6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,50,6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,电流密度:(漂移电流密度为),6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,X方向的电流强度：,反型层中平行于沟道方向的电场：,52,6.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性条件,53,高斯定理,相互抵消,E5=E6=0，即使有也相互抵消,E30,表面所在材料的

15、介电常数,某闭合表面,沿闭合表面向外法线方向的电场强度,该闭合表面所包围区域的总电荷量,6.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷,54,6.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场,氧化层电势,半导体表面空间电荷区的单位面积电荷,氧化层中垂直于沟道方向的电场,由上三式可得反型层单位面积的电荷,不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）,55,6.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区,56,6.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的I-V特性,57,6.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):模型,跨导用来表征MOSFET的放大能力：,令,材料参数,设计参数,工

16、艺参数,影响跨导的因素：,58,6.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1),0,必须反偏或零偏,Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）,在沟道源端感应出来的电子全跑掉了,59,6.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)能带图,衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷,不同衬偏电压条件下的能带图：,60,6.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)阈值电压,需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大,体效应系数,61,6.4 频率限制特性 交流小信号参数,源极串联电阻,栅源交叠电容,漏极串联电阻,栅漏交叠电容,漏-衬底pn结电容,栅源电容,栅漏电容,跨导,寄生参数,本征参数,62

17、,6.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路,共源n沟MOSFET小信号等效电路,总的栅源电容,总的栅漏电容,与ID-VDS曲线的斜率有关,63,6.4 频率限制特性 简化的小信号等效电路,低频条件下只计入rs,只计入本征参数,低频条件下只计入rds,64,6.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素,限制因素2：对栅电极或电容充电需要时间,限制因素1：沟道载流子从源到漏运动需要时间,沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素,对Si MOSFET，饱和漂移速度,65,6.4 频率限制特性 电流-频率关系,负载电阻,输入电流,输出电流,对栅电容充电需要时间,消去电压变量VD,66,6.4 频率限制

18、特性 密勒电容等效,67,截止频率：电流增益为1时的频率。,提高频率特性：提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；,68,6.4 频率限制特 截止频率推导,小结 1,MOS电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。MOSFET导通时工作在强反型状态.栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。C-V曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线平

19、移，界面陷阱使C-V曲线变缓.MOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。,69,小结 2,MOSFET可以分为n沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流-电压特性的主要方式。跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。根据MOSFET的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；根据MOSFET的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区和饱和区。影响MOSFET频率特性

20、的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。CMOS技术使n沟MOSFET和p沟MOSFET的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。,70,6.6 MOSFET概念的深入,非理想效应6.6.2 MOSFET按比例缩小理论6.6.3 阈值电压的修正6.6.4 附加电学特性6.6.5 辐射和热电子效应*,71,6.6.1 非理想效应 亚阈值电流:定义,亚阈值电流,72,6.6.1 非理想效应 亚阈值电流:比较,施加小的漏电压时，n沟道MOSFET沟道表面势示意图,堆积状态：势垒很高电子无法跃过无法形成表面电流,弱反型状态：势垒较低电子有一定的几率越

21、过势垒形成亚阈值电流,强反型状态：势垒极低大量电子越过势垒形成沟道电流,73,6.6.1 非理想效应 亚阈值电流:电压特性,IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。,74,非理想效应 沟道长度调制效应:机理,75,6.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:模型1,视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展,76,6.6.1 非理想效应沟道长度调制效应:模型2,77,6.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:影响因素,ID的实测值高于理论值,在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加,78,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:

22、纵向电场的影响(1),表面散射,79,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(2),体迁移率(典型值600cm2/Vs,NMOS）,表面迁移率,典型值0.03,有效迁移率：,有效迁移率经验表达式：,80,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:漂移速度与电场的关系,峰值电场强度,峰值漂移速度,饱和漂移速度,81,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:Si的情形,低场：迁移率不随E而变,高场：迁移率随E增加而下降,强场：迁移率与E成反比,82,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:GaAs、InP的情形,与Si相比，GaAs、InP的特点：存在漂移速度峰值迁移率大存在负微分迁移率区饱和漂移速

23、度小,83,6.6.1 非理想效应 迁移率变化:速度饱和效应,漏源电流下降,提前饱和,饱和漏源电流与栅压成线性关系,饱和区跨导与偏压及沟道长度无关,截止频率与栅压无关,84,6.6.1 非理想效应 弹道输运,非弹道输运MOSFET沟道长度L0.1m，大于散射平均自由程；载流子从源到漏运动需经过多次散射；载流子运动速度用平均漂移速度表征；弹道输运MOSFET沟道长度L0.1m，小于散射平均自由程；载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运；高速器件、纳米器件；,85,6.6.2 按比例缩小 为什么要缩小MOSFET尺寸?,提高集成度：同样功能所需芯片面积更小提升功能：同样面积可实现更多功能降

24、低成本：单管成本降低改善性能：速度加快，单位功耗降低,若尺寸缩小30，则 栅延迟减少30，工作频率增加43 单位面积的晶体管数目加倍 每次切换所需能量减少65，节省功耗50,86,完全按比例缩小(Full Scaling)尺寸与电压按同样比例缩小电场强度保持不变最为理想，但难以实现,6.6.2 按比例缩小 缩小方式,恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling)尺寸按比例缩小，电压保持不变电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重,一般化按比例缩小(General Scaling)尺寸和电场按不同的比例因子缩小迄今为止的实际做法,87,6.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:规则,

25、88,6.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:结果,89,6.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:小结,90,6.6.3 阈值电压修正 VT与L、W的相关性,91,6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:表面空间电荷 短沟道效应,92,6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:L的计算,源-体结空间电荷区宽度,表面空间电荷区宽度,漏-体结空间电荷区宽度,源、漏pn结结深,93,若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少,6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:VT的计算,94,6.6.3 阈值电压修正 VT随W的变化:表面电荷 窄沟道效应

26、,95,若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加,6.6.3 阈值电压修正 VT随W的变化:VT的计算,96,6.6.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:原理,p型半导体表面注入受主杂质Na（如B）半导体表面净掺杂浓度表面更难以反型VT,受主注入剂量（单位面积注入的离子数）,注入前的阈值电压,p型半导体表面注入施主杂质Nd（如P）半导体表面净掺杂浓度表面更容易反型VT,施主注入剂量（单位面积注入的离子数）,注入前的阈值电压,97,6.6.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:注入杂质分布,1、Delta函数型分布,2、阶跃函数型分布

27、,3、高斯函数型分布：更接近实际情况，分析较复杂。,平均注入掺杂浓度,注入前的掺杂浓度,平均注入掺杂浓度,注入前的掺杂浓度,注入深度,反型时，xdTxI,VT由DI决定；,98,击穿特性 MOSFET主要击穿机构,。,漏源击穿BVDS：漏pn结击穿，与VDS、VGS均有关,栅源击穿BVGS：栅氧化层击穿，只与VGS有关,击穿特性 栅-源介质击穿,击穿现象VGSBVGS氧化层电场强度Eox临界电场强度EB(0.51)x107V/cm时，氧化层发生介电击穿当氧化层厚度50nm时，BVGS=30V，若EB6x106V/cm，则要求工作电压VGS10V（安全余量为3）击穿过程针孔凹坑空洞崩塌电流I温度

28、T电流I，形成热电正反馈击穿场强的来源栅压VGS：EoxVGS/tox栅感应电荷QI：EoxQI/toxCox,击穿特性 漏pn结击穿,击穿特性 沟道雪崩倍增效应,发自S端的载流子（形成电流IS）受沟道电场的加速在D端附近发生雪崩倍增，产生的电子被漏极收集（加入ID），产生的空穴注入衬底（产生Isub）,雪崩倍增形成条件：短沟道：L越短，沟道电场越强 n沟道：空穴的碰撞电离率小于电子，产生雪崩倍增的临界电场强度大于电子,击穿特性 寄生晶体管效应,击穿特性 源漏穿通效应,空间电荷区交接，势垒消失了，漏电流增大,短沟道器件穿通特性曲线,击穿特性 源漏穿通效应,小结 1,MOSFET在弱反型区存在所

29、谓“亚阈值电流”。该电流与栅源电压及漏源电压呈指数关系。MOSFET在饱和区的有效沟道长度随漏源电压的增加而增加，导致漏源电流略微增加，形成所谓“沟道长度调制效应”。此效应在短沟道和低掺杂衬底中才显著。沟道迁移率随沟道横向电场和纵向电场的增加而下降。在强的横向电场下，载流子在沟道中的漂移速度将会达到饱和，此时漏源电流与栅源电压呈线性关系,小结 2,缩小MOSFET尺寸可以提高集成度和工作速度。器件尺寸与工作电压按同样比例缩小较为理想，但难以实现。在短沟道和窄沟道条件下，阈值电压会随沟道长度和沟道宽度的变化而变化。在实际工艺中常采用离子注入来调整阈值电压。栅源介质击穿和漏体pn结击穿是MOSFET主要击穿机构。短沟道器件可能会出现沟道雪崩倍增，引发寄生晶体管效应或热电子效应。,