MOS器件閾值電壓.ppt

1、MOSFET的物理結(jié)構(gòu)、工作原理和類型 2、MOSFET的閾值電壓 3、MOSFET的直流特性 4、MOSFET的動態(tài)特性 5、小尺寸效應(yīng),MOSFET閾值電壓的定義,在正常情況下，柵電壓產(chǎn)生的電場控制著源漏間溝道區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生。使溝道區(qū)源端強(qiáng)反型時的柵源電壓稱為MOS管的閾值電壓。NMOS的閾值電壓用VTn 表示， PMOS的閾值電壓用VTp 表示。,閾值電壓：Threshold voltage,MOS電容的閾值電壓（1）,P-Si,耗盡層的厚度 耗盡層單位面間的電荷 反型層的厚度 反型層單位面積的電荷 半導(dǎo)體表面電荷 柵電荷,P-Si,半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型時的柵體電壓稱為MOS電容的閾值電壓VT,MOS電容的閾值電壓（2）,MOS電容反型時能帶圖,MOSFET與MOS電容的不同（1）,MOS電容 表面電場由柵電壓控制，半導(dǎo)體表面處于平衡態(tài)，有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。表面空間電荷沿 Y方向均勻分布。,MOSFET 柵下的電荷受柵電壓產(chǎn)生的縱向電場 EX 、源漏電壓產(chǎn)生的橫向電場 EY 的共同作用，是一個二維問題*。 VDS、VBS使半導(dǎo)體表面勢、表面電荷、表面反型層和耗盡區(qū)厚度都隨Y變化。 沿Y方向有電流流動，表面處于非平衡態(tài)，反型層與體內(nèi)不再有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。,MOSFET與MOS電容的不同（2）,MOSFET與MOS電容的不同（3）,VGSVT,n+,n+,VDS0,p-substrate,Channel,S,B,IDS,VBS,NMOS 反型層和耗盡區(qū),如何得到,在一定的近似條件下求解二維泊松方程：,MOSFET電壓電荷關(guān)系,Gradual Channel Approximation* 假定y方向（沿溝道方向）電場EY的變化遠(yuǎn)小于相應(yīng)的X方向（垂直于溝道方向）電場EX的變化。其數(shù)學(xué)表示式為,緩變溝道近似（GCA）,對于長道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，在沿溝道方向的大部分區(qū)域都是有效的。 GCA近似使泊松方程變成一維的，這意味著MOS電容的電荷方程，做一些簡單修正，就可適用于MOSFET,以NMOS為例。當(dāng)柵壓VGSVTN,在半導(dǎo)體表面形成反型層。這時，在源漏端施加電壓，形成源漏電流,沿溝道方向（Y方向）產(chǎn)生電壓降*。 其結(jié)果使N型溝道的能帶連同其費(fèi)米能級沿Y方向發(fā)生傾斜*。原因：N溝道與P型襯底之間電位不同，即N溝道與P型襯底間的PN結(jié)處于反向偏置，溝道與襯底之間不再有統(tǒng)一的費(fèi)米費(fèi)米能級 設(shè)溝道任意點(diǎn)相對于襯底的電位為VCB(y)，那么溝道區(qū)的電子準(zhǔn)費(fèi)米能級EFn比襯底空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級EFP低qVCB(y)。,MOSFET的表面勢（1）,MOSFET的表面勢（2）,NMOSFET 的能帶圖*,MOSFET的三維能帶圖,VB=VS=VD=0 VG0,VB=VS=0 VD0,VB=Vs=VD=VG=0,在GCA下，強(qiáng)反型時，當(dāng)VDS較小時，MOSFET 的表面勢近似為:,MOSFET的表面勢（3）,定義VY為溝道Y點(diǎn)相對于源端的電勢：,MOSFET的表面勢（4）,強(qiáng)反型時的柵體電壓為,使溝道任意一點(diǎn)強(qiáng)反型時的柵源電壓為,閾值電壓定義為源端反型時的柵源電壓：,強(qiáng)反型后，MOST的反型層電荷與柵壓的關(guān)系為：,MOSFET閾值電壓表達(dá)式,NMOS,PMOS,影響閾值電壓的因素,金半接觸電勢差，,氧化層中正電荷面密度，單位: 庫侖/cm2,半導(dǎo)體費(fèi)米勢（與襯底摻雜濃度有關(guān)）,襯底摻雜濃度,單位面積柵氧化層電容,襯底偏壓,影響閾值電壓的因素：Vms,金半接觸電勢差Vms,Al柵，Al的功函數(shù)4.1eV，Si的親和能4.15eV,NMOS:,PMOS:,使P型半導(dǎo)體表面耗盡或反型,使N型半導(dǎo)體表面積累,Al柵方塊電阻：幾個 m/ Al柵工藝的缺陷,影響閾值電壓的因素：Vms,多晶硅柵*,n+poly-si,摻雜濃度NDP，方塊電阻15歐姆,NMOS:,使表面耗盡或反型,PMOS:,使表面多子積累,p+poly-si,摻雜濃度NAP，方塊電阻25歐姆,NMOS:,使表面多子積累,PMOS:,使表面耗盡或反型,近似認(rèn)為重?fù)诫s多晶硅的能帶與單晶硅相同,SiO2中的正電荷面密度Q0* 固定正電荷 可動正電荷 陷阱電荷 界面陷阱電荷 這些電荷是使早期MOSFET不穩(wěn)定的主要原因,其大小與晶向有關(guān)，與SiO2的生長工藝有關(guān)。 通常要求：,影響閾值電壓的因素: Q0,影響閾值電壓的因素：NB,襯底摻雜濃度NB 通過QB來影響VT NB越大，越不容易反型,影響閾值電壓的因素： Tox,柵氧化層厚度tox： tox增加，導(dǎo)致VT增加。這種方法廣泛應(yīng)用于MOSFET之間的隔離。,提高場區(qū)寄生MOS管的閾值電壓：場注入厚的場氧化層,柵氧 場氧,有源區(qū)、場區(qū),影響閾值電壓的因素：體效應(yīng),襯底偏壓的影響體效應(yīng)（Body Effect） MOSFET通常源和襯底短接，但是有兩種情況會造成MOSFET的襯底相對與源端有一個偏置電壓VBS（NMOS,VBS0） 在MOS電路中，有些MOS管的源極接輸出端，其電位是變化的； 有意在體端加偏壓使源與襯底之間的PN處于反偏，以調(diào)制MOS管的閾值電壓； 體效應(yīng)：也稱為襯偏效應(yīng)、背柵效應(yīng),影響閾值電壓的因素：體效應(yīng),考慮到VSB的影響，通常把VT寫成：,Body factor,影響閾值電壓的因素：體效應(yīng),襯底偏壓使耗盡層展寬，導(dǎo)致 NMOS的VTn增加（向正方向移動） PMOS使得VTp更負(fù)（向負(fù)方向移動） 除非應(yīng)用，否則應(yīng)盡量避免體效應(yīng)（使體效應(yīng)因子最?。?Example：Substrate bias effect on VT (body-effect),閾值電壓的設(shè)計(jì)（1）,閾值電壓是MOSFET最重要的參數(shù)之一，要求精確的控制。在諸因素中，影響最大的是柵氧化層的厚度和襯底摻雜濃度，但這兩個參量在很大的程度上會由其它設(shè)計(jì)約束事先確定*。 閾值電壓的調(diào)制方法：用離子注入工藝，在半導(dǎo)體表面處精確注入一定數(shù)目的硼或磷離子，以調(diào)制半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度* 。當(dāng)MOS器件偏置在耗盡或反型時，注入的雜質(zhì)會疊加到氧化層半導(dǎo)體界面附近的電離雜質(zhì)電荷上，從而改變VT。硼注入會導(dǎo)致閾值電壓正漂移（變得更正），磷注入會時閾值電壓負(fù)漂移（變得更負(fù)）。,閾值電壓的設(shè)計(jì)（2）,計(jì)算注入后的閾值電壓：離子注入形成的雜質(zhì)沿注入方向是Gauss分布，直接用其計(jì)算VT比較復(fù)雜?？紤]到實(shí)際中調(diào)制注入的深度一般比較淺，用Delta函數(shù)近似實(shí)際的分布：認(rèn)為注入的雜質(zhì)全部位于Si-SiO2界面無限薄的薄層硅中。,注入劑量，單位面積（每平方厘米）離子數(shù)目,閾值電壓的設(shè)計(jì)（3）,Delta近似：認(rèn)為是在氧化層半導(dǎo)體界面引入附加的固定電荷，類似氧化物固定電荷的分析，可以得到由于注入引起的閾值電壓的漂移為：,：注入受主雜質(zhì)，B ：注入施主雜質(zhì)，P DI：注入劑量，QI