MOSFET的閾電壓ppt課件

1、 定義：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為定義：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為閾電壓或閾電壓或 開啟電壓），記為開啟電壓），記為 VT 。 定義：當硅表面處的少子濃度達到或超過體內的平衡多子定義：當硅表面處的少子濃度達到或超過體內的平衡多子濃度時，稱為表面發(fā)生了濃度時，稱為表面發(fā)生了 強反型強反型 。 在推導閾電壓的表達式時可近似地采用一維分析，即認為在推導閾電壓的表達式時可近似地采用一維分析，即認為襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內的空間電荷完全由柵極與襯底之間襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內的空間電荷完全由柵極與襯底之間的電壓產生的橫向電場所決定，而與漏極電壓產生的縱向電場的電壓產生

2、的橫向電場所決定，而與漏極電壓產生的縱向電場無關。無關。P 型襯底型襯底 MOS 結構的閾電壓。結構的閾電壓。 上圖中，上圖中，AFPiFi1ln0NkTEEqqn 1、理想、理想 MOS 構造金屬與半導體間的功函數差構造金屬與半導體間的功函數差 MS = 0 ，柵氧化層中的電荷面密度，柵氧化層中的電荷面密度 QOX = 0 ）當）當 VG = 0 時的能帶圖時的能帶圖稱為稱為 P 型襯底的費米勢。型襯底的費米勢。 上圖中，上圖中，S 稱為稱為 表面勢，即從硅表面處到硅體內平衡處表面勢，即從硅表面處到硅體內平衡處的電勢差，等于能帶彎曲量除以的電勢差，等于能帶彎曲量除以 q 。 2、實際、實際

3、MOS 構造（構造（MS 0當當 VG = 0 時的能時的能帶圖帶圖Sq 3、實際、實際 MOS 結構當結構當 VG = VFB 時的能帶圖時的能帶圖 當當 時，可以使能帶恢復為平帶狀態(tài)，時，可以使能帶恢復為平帶狀態(tài)，這時這時 S = 0，硅表面呈電中性。，硅表面呈電中性。VFB 稱為稱為 平帶電壓。平帶電壓。COX 代代表單位面積的柵氧化層電容，表單位面積的柵氧化層電容， ，TOX 代表柵氧化層代表柵氧化層厚度。厚度。OXOXMSFBGCQVVOXOXOXTC 4、實際、實際 MOS 結構當結構當 VG = VT 時的能帶圖時的能帶圖 要使表面發(fā)生強反型，應使表面處的要使表面發(fā)生強反型，應使

4、表面處的 EF - EiS = qFP ，這時能帶總的彎曲量是這時能帶總的彎曲量是 2qFP ，表面勢為，表面勢為 S = S,inv = 2FP 。 外加柵電壓超過外加柵電壓超過 VFB 的部分的部分VG -VFB稱為稱為 有效柵電有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的 VOX 與降在硅與降在硅表面附近的表面電勢表面附近的表面電勢 S ，即，即 VG VFB = VOX + S 表面勢表面勢 S 使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎曲量是曲量是 2qFP ，表面勢為，表面勢為 2FP ，于是可得

5、，于是可得 VT VFB = VOX + 2FP VT = VFB + VOX + 2FP 上式中，上式中， QM 和和 QS 分別代表金屬一側分別代表金屬一側的電荷面密度和半導體一側的電荷面密度，而的電荷面密度和半導體一側的電荷面密度，而 QS 又是耗盡層又是耗盡層電荷電荷QA 與反型層電荷與反型層電荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQCQV-QA-QAQM-Qn-QnCOX-QS-QSP可得可得 MOS 結構的閾電壓為結構的閾電壓為FPOXFPAOXOXMST2)2(CQCQV 再將再將 和上式代入和上式代入 VT = VFB + VOX + 2FP 中，中，OXOXMSFBCQV

6、關于關于 QA 的進一步推導在以后進行。的進一步推導在以后進行。 作為近似，在強反型剛開始時，可以忽略作為近似，在強反型剛開始時，可以忽略 Qn 。QA 是是 S 的函數，在開始強反型時，的函數，在開始強反型時，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得，故得OXFPAOXSOX)2(CQCQV 1、閾電壓一般表達式的導出、閾電壓一般表達式的導出 MOSFET 與與 MOS 結構的不同之處是：結構的不同之處是： a) 柵與襯底之間的外加電壓由柵與襯底之間的外加電壓由 VG 變?yōu)樽優(yōu)?(VG -VB) ，因此有，因此有效柵電壓由效柵電壓由 (VG -VFB ) 變?yōu)樽優(yōu)?(VG -VB

7、- VFB ) 。 b) 有反向電壓有反向電壓 (VS -VB )加在源、漏及反型層的加在源、漏及反型層的 PN 結上，使結上，使 強反型開始時的表面勢強反型開始時的表面勢 S,inv 由由 2FP 變?yōu)樽優(yōu)?( 2FP + VS -VB )。 5.2.2 MOSFET 的閾電壓的閾電壓 以下推導以下推導 QA 的表達式。對于均勻摻雜的襯底，的表達式。對于均勻摻雜的襯底， 式中，式中， ，稱為，稱為 體因子。體因子。AS,invAd()QqN x OX21sA2CNqKAS,invTBFBS,invOX()QVVVC 因而因而 MOSFET 的閾電壓一般表達式為的閾電壓一般表達式為1112AS

8、,invAs22FPSBFPSBOXOX()222Qq NVVKVVCC 21AS,invsA2NqNq12AsFPSB22qNVV 于是可得于是可得 N 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓為的閾電壓為12TBFBFPSBFPSB1OX2MSFPSBFPSOX2222VVVKVVVVQKVVVC 注意上式中，通常注意上式中，通常 VS 0，VB 0 。 當當 VS = 0 ，VB = 0 時，時，FP21FPOXOXMST22KCQV 這與前面得到的這與前面得到的 MOS 結構的閾電壓表達式相同。結構的閾電壓表達式相同。稱為稱為 N 型襯底的費米勢。型襯底的費米勢。 同理，同理，P 溝道溝道 M

9、OSFET 當當 VS = 0 ，VB = 0 時的閾電壓為時的閾電壓為FN21FNOXOXMST22KCQV式中，式中，DFNiFi1ln0NkTEEqqn OX21sD2CNqK FN 與與 FP 可以統(tǒng)一寫為可以統(tǒng)一寫為 FB，代表，代表 襯底費米勢。襯底費米勢。 2、影響閾電壓的因素、影響閾電壓的因素 當當 VS = 0 ，VB = 0 時，時，N 溝道與溝道與 P 溝道溝道 MOSFET 的閾電的閾電壓可統(tǒng)一寫為壓可統(tǒng)一寫為FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV a) 柵氧化層厚度柵氧化層厚度 TOX 一般來說，當一般來說，當 TOX 減薄時，減薄時， |VT | 是減小的。

10、是減小的。 早期早期 MOSFET 的的 TOX 的典型值約為的典型值約為 150 nm ，目前高性，目前高性能能MOSFET 的的 TOX 可達可達 10 nm 以下。以下。1015 cm-3 時，時， 約為約為 0.3 V 。FB b) 襯底費米勢襯底費米勢 FB FB 與摻雜濃度有關，但影響不大。室溫下，當摻雜濃度與摻雜濃度有關，但影響不大。室溫下，當摻雜濃度為為FB)N(0lniAFP溝nNqkT)P(0lniDFN溝nNqkTFBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV MS 與金屬種類、半導體導電類型及摻雜濃度有關。對與金屬種類、半導體導電類型及摻雜濃度有關。對于于Al Si 系

11、統(tǒng)，系統(tǒng)， c) 功函數差功函數差 MS - 0.6 V - 0.6 V - 1.0 V - 1.0 V ( N ( N 溝溝 ) )- 0.6 V - 0.6 V - 0.2 V ( P - 0.2 V ( P 溝溝 ) )（見圖（見圖 5-15） 當當 N = 1015 cm-3 時，時， - 0.9 V ( N - 0.9 V ( N 溝溝 ) )- 0.3 V ( P - 0.3 V ( P 溝溝 ) )FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV MS = MS = d) 耗盡區(qū)電離雜質電荷面密度耗盡區(qū)電離雜質電荷面密度 QAD 由于由于 FB 與摻雜濃度與摻雜濃度 N 的關系不大

12、，故可近似地得的關系不大，故可近似地得到到21ADADNQADQ)N(, 0)4(21FPsAdAA溝qNxqNQ)P(, 0)4(21FNsDdDD溝qNxqNQFBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV e) 柵氧化層中的電荷面密度柵氧化層中的電荷面密度 QOX V8 .1OXOXCQ 調整閾電壓主要是通過改變摻雜濃度調整閾電壓主要是通過改變摻雜濃度 N例如離子注入例如離子注入和改變柵氧化層厚度和改變柵氧化層厚度 TOX 來實現。來實現。 V0 . 3 QOX 與制造工藝及晶向有關。與制造工藝及晶向有關。MOSFET 一般采用一般采用100晶面，并在工藝中注意盡量減小晶面，并在工藝中注

13、意盡量減小 QOX 的引入。在一般工藝條的引入。在一般工藝條件下，當件下，當 TOX = 150 nm 時，時， FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV 對于對于 N 溝道溝道 MOSFET， 3、襯底偏置效應體效應）、襯底偏置效應體效應） FP21BSFPFBT22VKVV01212)()(21FPBS21FP0T0TTBSBSVKVVVVV 襯底偏置效應：襯底偏置效應：VT 隨隨 VBS 的變化而變化。的變化而變化。 當當 VS = 0 時，可將源極作為電位參考點，這時時，可將源極作為電位參考點，這時 VG = VGS 、VD = VDS 、VB = VBS 。 對于對于 P 溝道

14、溝道 MOSFET， 可見，當可見，當 |VBS | 增大時，增大時，N 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓向正方的閾電壓向正方向變化，而向變化，而 P 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓向負方向變化。的閾電壓向負方向變化。 由于由于 ，所以，所以 TOX 越厚、越厚、N 越高，襯底偏越高，襯底偏置效應就越嚴重。置效應就越嚴重。01212)()(21FNBS21FN0T0TTBSBSVKVVVVVOX21s2CNqK 4、離子注入對閾電壓的調整、離子注入對閾電壓的調整 設注入的雜質濃度為階梯形分布，且注入深度設注入的雜質濃度為階梯形分布，且注入深度 R R 小于溝道小于溝道下的襯底耗盡區(qū)最大厚度下的襯底耗盡區(qū)最大厚度 x xdmax dmax ， ANANRxdmaxx0dmaxx以