第五章復習 (1)

1、 第第 5 章章 MOSFET 復習復習 基本結構基本結構 基本類型基本類型 表面場效應表面場效應 工作原理工作原理 費米勢費米勢 功函數(shù)功函數(shù) 強反型條件強反型條件 基礎知識基礎知識 電子親合能電子親合能 VDS對對Qn、QB的影響的影響 積累積累 耗盡耗盡 反型反型 強反型強反型 弱反型弱反型 MOSFET 閾值電壓閾值電壓 直流特性直流特性 小信號特性小信號特性 VBS對對Qn、QB的影響的影響 電荷分布電荷分布 閾值電壓閾值電壓 閾值電壓計算公式閾值電壓計算公式 功函數(shù)差對能帶的影響功函數(shù)差對能帶的影響 氧化層電荷對能帶的影響氧化層電荷對能帶的影響 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素

2、 直流特性直流特性 薩支唐方程薩支唐方程 溝道夾斷溝道夾斷 溝長調制效應溝長調制效應 遷移率調制效應遷移率調制效應 小信號特性小信號特性 交流小信號參數(shù)交流小信號參數(shù) 交流小信號等效電路交流小信號等效電路 漏區(qū)電場靜電反饋效應漏區(qū)電場靜電反饋效應 截止頻率截止頻率 提高頻率特性的措施提高頻率特性的措施 MOSFET基本結構基本結構 結構特點結構特點 lMOS結構結構 l兩兩PN結結 l導電溝道導電溝道 S G D S G D N溝道溝道MOSFET基本結構基本結構 MOSFET基本類型基本類型 表表6.2.1 類型類型 N 溝道溝道P 溝道溝道 耗盡型耗盡型( D )增強型增強型( E )耗盡

3、型耗盡型( D )增強型增強型( E ) 襯底襯底P型型N型型 S、D區(qū)區(qū)n p 溝道載流子溝道載流子電子電子空穴空穴 VDS00 )SD ( 0 ) 閾值電壓閾值電壓VP 0VP 0VT 0 S G D - : BBn xQQ由源到漏 xb Qn QB VBS對耗盡層寬度以及溝道載流子密度的影響對耗盡層寬度以及溝道載流子密度的影響 - - - - - - - - - VDS 0 S G D - : BSBBn VxQQ 通過改變通過改變QB，而改變，而改變Qn，從而改變，從而改變ID，因此襯底電極又稱為，因此襯底電極又稱為 “第二柵極第二柵極” 或或 “背柵背柵” Qn QB VBS對耗盡層

4、寬度以及溝道載流子密度的影響對耗盡層寬度以及溝道載流子密度的影響 VGS 、VBS對對IDS的控制的比較的控制的比較 （A）VGS變化導致半導體表面感應電荷變化導致半導體表面感應電荷QS變化，而變化，而QB基本不變基本不變 即即Qn隨隨VGS變化變化 （B）VBS變化導致變化導致QS中中Qn和和QB的分配比例變化的分配比例變化 - - - - - - - - - VDS 0 S G D - Qn QB nBS QQQ 閾值電壓閾值電壓 柵下半導體表面出現(xiàn)強反型，從而出現(xiàn)導電溝道時所加的柵源柵下半導體表面出現(xiàn)強反型，從而出現(xiàn)導電溝道時所加的柵源 電壓電壓 l半導體表面建立反型層半導體表面建立反型

5、層 l半導體表面建立耗盡層電荷半導體表面建立耗盡層電荷 l補償柵氧化層中電荷對半導補償柵氧化層中電荷對半導 體表面的影響體表面的影響 l抵消金屬半導體之間的功抵消金屬半導體之間的功 函數(shù)差函數(shù)差 平帶電壓平帶電壓 功函數(shù)差對能帶的影響功函數(shù)差對能帶的影響 金屬氧化物半導體金屬氧化物半導體 形成統(tǒng)一的電子系統(tǒng)以前的能帶圖形成統(tǒng)一的電子系統(tǒng)以前的能帶圖 半導體 EC Ei EV EFS EFm m q S q 柵金屬 電 極 SiO2 S q 功函數(shù)差對能帶的影響功函數(shù)差對能帶的影響 柵金屬 電極 EFmEFS Ei EC EV 半導體 SiO2 形成統(tǒng)一的電子系統(tǒng)以后，半導體表面能帶彎曲形成統(tǒng)一

6、的電子系統(tǒng)以后，半導體表面能帶彎曲 功函數(shù)差對能帶的影響功函數(shù)差對能帶的影響 為了使能帶平直，柵極加補償電壓為了使能帶平直，柵極加補償電壓 ms (6.3.4) EC Ei EV EFS EFm m qS q S q ms q 柵氧化層中的電荷對能帶的影響柵氧化層中的電荷對能帶的影響 EC Ei EF EV + + + + + + + + - 柵金屬電極 柵氧化層 襯底( (P型) ) + + + + + + + + + + + 柵金屬電極 柵氧化層 襯底( (P型) ) + + + VG 0 EC Ei EF EV 柵極加補償電壓柵極加補償電壓 后后 OX OX Q C 閾值電壓計算公式閾值

7、電壓計算公式 N MOSFET ( P 襯底襯底 ) TOXSFB VVVV B OX OX Q V C 1 2 0 2 BsAS QqN V 2 sF V ln 0 A FF i NkT qn 0OX OX OX C t OX FBms OX Q V C msmSmS qqqqq 2 g sF E qqq 閾值電壓計算公式閾值電壓計算公式 PMOSFET ( N 襯底襯底 ) TOXSFB VVVV B OX OX Q V C 2 sF V 0OX OX OX C t ln 0 D FF i NkT qn 1 2 0 2 BsDS QqN V OX FBms OX Q V C msmSmS

8、qqqqq 2 g sF E qqq 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 一、柵電容一、柵電容COX 2 OXB TmsF OXOX QQ V CC 0OX OX OX C t 柵氧化層厚度不可太小，一般在柵氧化層厚度不可太小，一般在100nm左右左右 : OXT CV OX T OX t V ： 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 二、功函數(shù)差二、功函數(shù)差qms 電電 極極 材材 料料 襯底雜質濃度襯底雜質濃度 (圖圖6.3.4) qms隨襯底雜質濃度的變化隨襯底雜質濃度的變化 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 101410151016

9、10171018 N/cm-3 qms/eV P+多晶硅多晶硅(N-Si) Au(N-Si) P+多晶硅多晶硅(P-Si) Au(P-Si) Al(N-Si) N+多晶硅多晶硅(N-Si) Al(P-Si) N+多晶硅多晶硅(P-Si) 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 三、襯底雜質濃度三、襯底雜質濃度 1）費米勢：）費米勢： i A F n N q kT ln NMOSFET ( PSi襯底襯底 ) ln D F i NkT qn PMOSFET ( NSi襯底襯底 ) N |F| 影響較小影響較小 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 三、襯底雜質濃度三、襯底雜質濃度 2）耗盡層電荷）

10、耗盡層電荷QBmax： 2 1 0maxmax 22 FAdAB qNxqNQ 1 2 maxmax0 22 BDdDF QqN xqN NMOSFET ( PSi襯底襯底 ) PMOSFET ( NSi襯底襯底 ) N :|QBmax| |VT| 10131017 NB/cm-3 10 5 1 0.01 tox=100nm tox=50nm VT/V 影響較大影響較大 可采用離子注入工藝調整閾值電壓可采用離子注入工藝調整閾值電壓 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 三、襯底雜質濃度三、襯底雜質濃度 3）ms 影響較小影響較小 影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 四、氧化層中的電荷密度四、

11、氧化層中的電荷密度 1 氧化層中的電荷氧化層中的電荷 多為正電荷多為正電荷 氧化層中的電荷氧化層中的電荷 可動電荷可動電荷 金屬離子沾污（正電荷）金屬離子沾污（正電荷） + + + + + + + + + + + + + + + XXXX + + + + 固定電荷固定電荷 SiSiO2界面處界面處Si離子過剩（正電荷）離子過剩（正電荷） + + 氧化層中的電荷氧化層中的電荷 界面陷阱電荷界面陷阱電荷 SiSiO2界面處界面態(tài)，俘獲或釋放電子界面處界面態(tài)，俘獲或釋放電子 （正電荷（正電荷 或或 負電荷）負電荷） X 電離陷阱電荷電離陷阱電荷 輻射引起輻射引起 (正電荷正電荷) + 影響閾值電壓的

12、因素影響閾值電壓的因素 四、氧化層中的電荷密度四、氧化層中的電荷密度 2、NMOSFET （1） 襯底雜質濃度較低時，襯底雜質濃度較低時，VT主要由主要由 QOX控制（控制控制（控制VT的重要手段）的重要手段） （2） 襯底雜質濃度襯底雜質濃度NA一定時一定時 Qox : VT (+0 ) （3）Qox/q1012 NA1015 VT0 為為DMOSFET （4）Qox/q1011 NA1015 可形成可形成 EMOSFET VT/ V 6 3 0 -3 -6 1011 1014 1017 1011 1012 QOX/q 1010 NA/cm-3 圖圖6.3.7(A) 影響閾值電壓的因素影響閾

13、值電壓的因素 四、氧化層中的電荷密度四、氧化層中的電荷密度 3、 PMOSFET （1）襯底雜質濃度較低時，）襯底雜質濃度較低時，VT主要由主要由 QOX控制（控制控制（控制VT的重要手段）的重要手段） （2）襯底雜質濃度）襯底雜質濃度ND一定時一定時 Qox : VT （3）VT 0，一直為，一直為EMOSFET （4）通過特殊工藝可形成）通過特殊工藝可形成DMOSFET 圖圖6.3.7(B) 4、增強型、增強型MOSFET多為多為 P 溝道型溝道型 耗盡型耗盡型MOSFET多為多為 N 溝道型溝道型 （SiO2柵氧化層中的電荷多為正電荷）柵氧化層中的電荷多為正電荷） 溝道夾斷溝道夾斷 1

14、2 3 VDS IDS DSatGST VVV 4 N N P S G D GST VV DSGST VVV 夾斷點夾斷區(qū) 薩支唐方程薩支唐方程 公式總結（公式總結（NMOSFET） 2 1 2 DSGSTDSDS IVV VV 線性區(qū)線性區(qū) VDSIDS 非飽和區(qū)非飽和區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū) DSGSTDS IVVV （6.4.12） （6.4.10） nOX WC L 2 2 DSatGST IVV (6.4.14) （6.4.11） DSatGST VVV (6.4.15) VDSVDSat VDS VDSat VDS VDSat 薩支唐方程薩支唐方程 公式總結公式總結 ( P溝道溝道 ) 2 1 2 DSGSTDSDS IVV VV 線性區(qū)線性區(qū) VDSIDS 非飽和區(qū)非飽和區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū) D