MOSFET的閾電壓ppt課件

1、 定義：使柵下的硅表面處開(kāi)始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為定義：使柵下的硅表面處開(kāi)始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為閾電壓或閾電壓或 開(kāi)啟電壓），記為開(kāi)啟電壓），記為 VT 。 定義：當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過(guò)體內(nèi)的平衡多子定義：當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過(guò)體內(nèi)的平衡多子濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了 強(qiáng)反型強(qiáng)反型 。 在推導(dǎo)閾電壓的表達(dá)式時(shí)可近似地采用一維分析，即認(rèn)為在推導(dǎo)閾電壓的表達(dá)式時(shí)可近似地采用一維分析，即認(rèn)為襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內(nèi)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(nèi)的空間電荷完全由柵極與襯底之間的電壓產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)的電壓產(chǎn)生

2、的橫向電場(chǎng)所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的縱向電場(chǎng)無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。P 型襯底型襯底 MOS 結(jié)構(gòu)的閾電壓。結(jié)構(gòu)的閾電壓。 上圖中，上圖中，AFPiFi1ln0NkTEEqqn 1、理想、理想 MOS 構(gòu)造金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差構(gòu)造金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)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(dāng)）當(dāng) VG = 0 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖稱為稱為 P 型襯底的費(fèi)米勢(shì)。型襯底的費(fèi)米勢(shì)。 上圖中，上圖中，S 稱為稱為 表面勢(shì)，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處表面勢(shì)，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的電勢(shì)差，等于能帶彎曲量除以的電勢(shì)差，等于能帶彎曲量除以 q 。 2、實(shí)際、實(shí)際

3、MOS 構(gòu)造（構(gòu)造（MS 0當(dāng)當(dāng) VG = 0 時(shí)的能時(shí)的能帶圖帶圖Sq 3、實(shí)際、實(shí)際 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng) VG = VFB 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，時(shí)，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，這時(shí)這時(shí) 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(shí)際、實(shí)際 MOS 結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng) VG = VT 時(shí)的能帶圖時(shí)的能帶圖 要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使表面處的要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使

4、表面處的 EF - EiS = qFP ，這時(shí)能帶總的彎曲量是這時(shí)能帶總的彎曲量是 2qFP ，表面勢(shì)為，表面勢(shì)為 S = S,inv = 2FP 。 外加?xùn)烹妷撼^(guò)外加?xùn)烹妷撼^(guò) 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(shì)表面附近的表面電勢(shì) S ，即，即 VG VFB = VOX + S 表面勢(shì)表面勢(shì) S 使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)能帶的彎使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)能帶的彎曲量是曲量是 2qFP ，表面勢(shì)為，表面勢(shì)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(cè)分別代表金屬一側(cè)的電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而的電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)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(jié)構(gòu)的閾電壓為結(jié)構(gòu)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(guān)于關(guān)于 QA 的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。 作為近似，在強(qiáng)反型剛開(kāi)始時(shí)，可以忽略作為近似，在強(qiáng)反型剛開(kāi)始時(shí)，可以忽略 Qn 。QA 是是 S 的函數(shù)，在開(kāi)始強(qiáng)反型時(shí)，的函數(shù)，在開(kāi)始強(qiáng)反型時(shí)，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得，故得OXFPAOXSOX)2(CQCQV 1、閾電壓一般表達(dá)式的導(dǎo)出、閾電壓一般表達(dá)式的導(dǎo)出 MOSFET 與與 MOS 結(jié)構(gòu)的不同之處是：結(jié)構(gòu)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(jié)上，使結(jié)上，使 強(qiáng)反型開(kāi)始時(shí)的表面勢(shì)強(qiáng)反型開(kāi)始時(shí)的表面勢(shì) 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(dǎo)以下推導(dǎo) QA 的表達(dá)式。對(duì)于均勻摻雜的襯底，的表達(dá)式。對(duì)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(dá)式為的閾電壓一般表達(dá)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(dāng)當(dāng) VS = 0 ，VB = 0 時(shí)，時(shí)，F(xiàn)P21FPOXOXMST22KCQV 這與前面得到的這與前面得到的 MOS 結(jié)構(gòu)的閾電壓表達(dá)式相同。結(jié)構(gòu)的閾電壓表達(dá)式相同。稱為稱為 N 型襯底的費(fèi)米勢(shì)。型襯底的費(fèi)米勢(shì)。 同理，同理，P 溝道溝道 M

9、OSFET 當(dāng)當(dāng) VS = 0 ，VB = 0 時(shí)的閾電壓為時(shí)的閾電壓為FN21FNOXOXMST22KCQV式中，式中，DFNiFi1ln0NkTEEqqn OX21sD2CNqK FN 與與 FP 可以統(tǒng)一寫(xiě)為可以統(tǒng)一寫(xiě)為 FB，代表，代表 襯底費(fèi)米勢(shì)。襯底費(fèi)米勢(shì)。 2、影響閾電壓的因素、影響閾電壓的因素 當(dāng)當(dāng) VS = 0 ，VB = 0 時(shí)，時(shí)，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(xiě)為壓可統(tǒng)一寫(xiě)為FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV a) 柵氧化層厚度柵氧化層厚度 TOX 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一般來(lái)說(shuō)，當(dāng) TOX 減薄時(shí)，減薄時(shí)， |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(dá)可達(dá) 10 nm 以下。以下。1015 cm-3 時(shí)，時(shí)， 約為約為 0.3 V 。FB b) 襯底費(fèi)米勢(shì)襯底費(fèi)米勢(shì) FB FB 與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當(dāng)摻雜濃度與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當(dāng)摻雜濃度為為FB)N(0lniAFP溝nNqkT)P(0lniDFN溝nNqkTFBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV MS 與金屬種類、半導(dǎo)體導(dǎo)電類型及摻雜濃度有關(guān)。對(duì)與金屬種類、半導(dǎo)體導(dǎo)電類型及摻雜濃度有關(guān)。對(duì)于于Al Si 系

11、統(tǒng)，系統(tǒng)， c) 功函數(shù)差功函數(shù)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(jiàn)圖（見(jiàn)圖 5-15） 當(dāng)當(dāng) N = 1015 cm-3 時(shí)，時(shí)， - 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(zhì)電荷面密度耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度 QAD 由于由于 FB 與摻雜濃度與摻雜濃度 N 的關(guān)系不大

12、，故可近似地得的關(guān)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(diào)整閾電壓主要是通過(guò)改變摻雜濃度調(diào)整閾電壓主要是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。 V0 . 3 QOX 與制造工藝及晶向有關(guān)。與制造工藝及晶向有關(guān)。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(dāng)件下，當(dāng) TOX = 150 nm 時(shí)，時(shí)， FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV 對(duì)于對(duì)于 N 溝道溝道 MOSFET， 3、襯底偏置效應(yīng)體效應(yīng)）、襯底偏置效應(yīng)體效應(yīng)） FP21BSFPFBT22VKVV01212)()(21FPBS21FP0T0TTBSBSVKVVVVV 襯底偏置效應(yīng)：襯底偏置效應(yīng)：VT 隨隨 VBS 的變化而變化。的變化而變化。 當(dāng)當(dāng) VS = 0 時(shí)，可將源極作為電位參考點(diǎn)，這時(shí)時(shí)，可將源極作為電位參考點(diǎn)，這時(shí) VG = VGS 、VD = VDS 、VB = VBS 。 對(duì)于對(duì)于 P 溝道

14、溝道 MOSFET， 可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng) |VBS | 增大時(shí)，增大時(shí)，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(fù)方向變化。的閾電壓向負(fù)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(yīng)就越嚴(yán)重。置效應(yīng)就越嚴(yán)重。01212)()(21FNBS21FN0T0TTBSBSVKVVVVVOX21s2CNqK 4、離子注入對(duì)閾電壓的調(diào)整、離子注入對(duì)閾電壓的調(diào)整 設(shè)注入的雜質(zhì)濃度為階梯形分布，且注入深度設(shè)注入的雜質(zhì)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