第十章MOSFET基礎(1)(MOS結構,CV特性)

1、20152015年年1111月月1 1第十章第十章 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體場效應晶體管基礎半導體場效應晶體管基礎n10.110.1雙端結構雙端結構n10.210.2電容電壓特性電容電壓特性n10.310.3基本工作原理基本工作原理n10.410.4頻率限制特性頻率限制特性n10.510.5技術技術n11.611.6小結小結第十章第十章 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體場效應晶體管基礎半導體場效應晶體管基礎本章概述本章概述nMOSFETMOSFET和其他電路元件結合能夠產生電壓增益和信號功率和其他電路元件結合能夠產生電壓增益和信號功率增益；增益；n因因MOSFETMOSFE

2、T尺寸小，因而被廣應用于數字電路，尺寸小，因而被廣應用于數字電路，MOSFETMOSFET是當是當今集成電路設計的核心；今集成電路設計的核心；nMOSMOS是指金屬是指金屬(metal)(metal)二氧化硅二氧化硅(SiO(SiO2 2) )硅硅(Si)(Si)系統(tǒng)，更一系統(tǒng)，更一般術語是金屬般術語是金屬絕緣體絕緣體半導體半導體(MIS)(MIS)，絕緣體不一定是，絕緣體不一定是SiOSiO2 2，半導體不一定是，半導體不一定是SiSi；nMOSFETMOSFET的核心是的核心是MOSMOS電容的金屬電容的金屬- -氧化物氧化物半導體結構。半導體結構。10.1 10.1 雙端雙端MOSMOS

3、結構結構n10.1.1 10.1.1 能帶圖能帶圖n10.1.2 10.1.2 耗盡層厚度耗盡層厚度n10.1.3 10.1.3 功函數差功函數差n10.1.4 10.1.4 平帶電壓平帶電壓n10.1.5 10.1.5 閾值電壓閾值電壓n10.1.6 10.1.6 電荷分布電荷分布410.1 MOS10.1 MOS電容電容 MOSMOS電容結構電容結構氧化層厚度氧化層厚度氧化層介電常數氧化層介電常數AlAl或高摻雜的或高摻雜的多晶多晶SiSin n型型SiSi或或p p型型SiSiSiO25實際的鋁線實際的鋁線- -氧化層氧化層- -半導體半導體（M:M:約約10000A O:250A S:

4、10000A O:250A S:約約0.51mm0.51mm）6 610.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯底型襯底(1)(1)負柵壓情形負柵壓情形導帶底能級導帶底能級禁帶中心能級禁帶中心能級費米能級費米能級價帶頂能級價帶頂能級FSvFSvEEEE7 7 負電荷負電荷出現(xiàn)在金出現(xiàn)在金屬板上，因而產生了屬板上，因而產生了指向金屬板的電場，指向金屬板的電場，電場將半導體中的電場將半導體中的多多子空穴子空穴推向氧化物半推向氧化物半導體表面。導體表面。價帶邊緣更接近費米能級價帶邊緣更接近費米能級10.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯

5、型襯底底(2)(2)( (反型層反型層+ +耗盡層耗盡層) )dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE8 8小的正小的正柵壓情柵壓情形形大的正大的正柵壓情柵壓情形形半導體中多子空穴被電場半導體中多子空穴被電場推離推離氧化氧化物物- -半導體界面半導體界面( (耗盡層耗盡層) )表面的本征費米能級低于費米能級，導帶比價帶表面的本征費米能級低于費米能級，導帶比價帶更接近費米能級，半導體表面出現(xiàn)更接近費米能級，半導體表面出現(xiàn)電子反型層電子反型層。10.1 MOS 10.1 MOS 電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:n:n型襯底型襯底(1)(1)正柵壓情形正柵壓情形FScFSCEEEE9 9氧

6、化物氧化物-半導體半導體界面處的半導體界面處的半導體表面出現(xiàn)電子堆表面出現(xiàn)電子堆積層。積層。電場將半導體中的電子電場將半導體中的電子推向氧化物推向氧化物- -半導體的界半導體的界面。面。10.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖: :n n型襯底型襯底(2)(2)(耗盡層)n型(反型層+耗盡層)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10小的負小的負柵壓情柵壓情形形大的負大的負柵壓情柵壓情形形電場將半導體的電子電場將半導體的電子拉離拉離氧化氧化物物- -半導體界面半導體界面半導體本征費米能級移至費米能級上方，價帶比導帶半導體本征費米能級移至費米能級上方，價帶比導帶更

7、接近于費米能級。半導體表面出現(xiàn)更接近于費米能級。半導體表面出現(xiàn)空穴反型層空穴反型層。小節(jié)內容小節(jié)內容n10.1.1 10.1.1 能帶圖能帶圖n隨便畫能帶圖隨便畫能帶圖, ,要知道其半導體類型。要知道其半導體類型。n加什么電壓往那里彎曲？加什么電壓往那里彎曲？n結論：結論：（1 1）半導體為）半導體為p p型型時，柵極加大的時，柵極加大的正壓正壓時，可出現(xiàn)時，可出現(xiàn)n n型反型層型反型層；（2 2）半導體為）半導體為n n型型時，柵極加大的時，柵極加大的負壓負壓時，可出現(xiàn)時，可出現(xiàn)p p型反型層型反型層； “同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引”。（3 3）不論

8、半導體是）不論半導體是p p型還是型還是n n型，型， 柵極加柵極加負壓負壓，半導體表面的能帶，半導體表面的能帶向上彎曲（抬頭）；向上彎曲（抬頭）； 柵極加柵極加正壓正壓，半導體表面的能帶，半導體表面的能帶向下彎曲（低頭）。向下彎曲（低頭）。111111.1 MOS11.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :表面耗盡情形表面耗盡情形費米勢費米勢表面勢表面勢 ：是：是半導體體內與表半導體體內與表面之間的勢壘高面之間的勢壘高度；度；是橫跨空間是橫跨空間電荷層的電勢差電荷層的電勢差。 表面空間電表面空間電荷區(qū)寬度荷區(qū)寬度s半導體體內費米能半導體體內費米能級與禁帶中心能級級與禁帶中心能

9、級之差的電勢表示之差的電勢表示采用單邊突變結的采用單邊突變結的耗盡層近似耗盡層近似P P型襯底型襯底1212P181P181P P如何推出？如何推出？10.1 MOS10.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :表面反型情形表面反型情形閾值反型點閾值反型點條件：條件：表面處表面處的電子濃度的電子濃度= =體內體內的空穴濃度的空穴濃度表面空間電荷表面空間電荷區(qū)厚度區(qū)厚度P P型襯底型襯底表面表面電子電子濃度濃度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT體內體內空穴空穴濃度：濃度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp柵電壓柵電壓= =閾值電

10、壓閾值電壓表面空間電荷區(qū)表面空間電荷區(qū)厚度達到最大值厚度達到最大值1313P322P322例例11.111.110.1 MOS10.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度:n:n型襯底情形型襯底情形閾值反型點閾值反型點條件：表面勢條件：表面勢=費米勢的費米勢的2 2倍，表面處的空穴濃度倍，表面處的空穴濃度=體內的電子濃度，體內的電子濃度，此時所加的電壓稱為此時所加的電壓稱為閾值電壓閾值電壓（即柵電壓（即柵電壓=閾值電壓）。閾值電壓）。表面空間電荷表面空間電荷區(qū)寬度區(qū)寬度表面勢表面勢n n型襯底型襯底1410.1 MOS10.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :與摻雜

11、濃度的關系與摻雜濃度的關系實際器件實際器件參數區(qū)間參數區(qū)間15小節(jié)內容小節(jié)內容n10.1.2 10.1.2 耗盡層厚度耗盡層厚度n耗盡情況耗盡情況n反型情況反型情況n會算其厚度會算其厚度n了解閾值反型點條件了解閾值反型點條件n常用器件摻雜范圍常用器件摻雜范圍1610.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數差功函數差:MOS:MOS接觸前的能帶圖接觸前的能帶圖金屬的金屬的功函數功函數金屬的費米能級金屬的費米能級二氧化硅的二氧化硅的禁帶寬度禁帶寬度二氧化硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能硅的電子親和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（電勢表示）差金屬與

12、半導體的功函數0mFmmWEEe金屬的功函數半導體的功函數絕緣體不允許電荷在金屬和半導體之間進行交換絕緣體不允許電荷在金屬和半導體之間進行交換1710.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數差功函數差:MOS:MOS結構的能帶圖結構的能帶圖條件：零柵壓，條件：零柵壓， 熱平衡熱平衡零柵壓下氧化物零柵壓下氧化物二側的電勢差二側的電勢差修正的金屬修正的金屬功函數功函數零柵壓下半導體的零柵壓下半導體的表面勢表面勢修正的硅的電子修正的硅的電子親和能親和能二氧化硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能1810.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數差功函數差: :計算公式計算公式00 ()2()gms

13、mfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 內建電勢差：內建電勢差：ms功函數差功函數差1910.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數差功函數差:n:n摻雜多晶硅柵摻雜多晶硅柵(P-Si)(P-Si)00MOSFETMOSFET為為增強型增強型V VG G=0=0時未反型，加有時未反型，加有正柵壓時才反型正柵壓時才反型V VTNTN00MOSFETMOSFET為為耗盡型耗盡型V VG G=0=0時已反型，加有時已反型，加有負柵壓后

14、才能脫離負柵壓后才能脫離反型反型P P型襯底型襯底MOSMOS結構結構29為了得到增強型的器件，為了得到增強型的器件，p p型半導體型半導體必須被一定程度地重摻雜必須被一定程度地重摻雜。10.1 MOS電容 閾值電壓閾值電壓:n:n型襯底情形型襯底情形02|2|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQCQV30)2(fpgmmseEoxssmsFBCQV/費米勢費米勢表面耗盡層最大厚度表面耗盡層最大厚度單位面積表面耗盡層電荷單位面積表面耗盡層電荷oxoxoxtC/dTaSDxeNQ |max單位面積柵氧化層電容單位面積柵氧化層電容平帶電壓平帶電壓閾值電壓閾值電壓10.

15、1 MOS10.1 MOS電容電容 n n型襯底與型襯底與p p型襯底的比較型襯底的比較dTdSDxeNQ |max)2(fngmmseEp p型襯底型襯底MOSMOS結構結構n n型襯底型襯底MOSMOS結構結構oxoxoxtC/oxssmsFBCQV/閾值電壓典型值閾值電壓典型值金屬金屬-半導體功函數差半導體功函數差3110.1 MOS10.1 MOS電容電容 10.1.610.1.6表面反型層電子密度與表面勢的關系表面反型層電子密度與表面勢的關系316316cm101V695. 02V347. 0K300cm103sfpsfpanTN反型實例：32)exp(2kTeNnnsais 表面處

16、的電子濃度隨著表面勢的增加而增表面處的電子濃度隨著表面勢的增加而增大，表面勢的很小改變就可以使電子濃度迅大，表面勢的很小改變就可以使電子濃度迅速增加，此時空間電荷匹寬度達到最大值。速增加，此時空間電荷匹寬度達到最大值。10.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面空間電荷層電荷與表面勢的關系表面空間電荷層電荷與表面勢的關系半導體表面狀態(tài)的變化時襯底型GSVSip堆積堆積平帶平帶耗盡耗盡弱反型弱反型強反型強反型33小節(jié)內容小節(jié)內容n10.1.6 10.1.6 電荷分布電荷分布n分布圖分布圖n10.1.5 10.1.5 閾值電壓閾值電壓n概念概念n電中性條件電中性條件n與誰有關與誰有關? ?如何理

17、解如何理解? ?nN N型型P P型及摻雜的關系型及摻雜的關系3510.210.2節(jié)內容節(jié)內容n理想情況理想情況C-VC-V特性特性n頻率特性頻率特性n氧化層電荷及界面態(tài)的影響氧化層電荷及界面態(tài)的影響n實例實例3610.2 C-V10.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性？特性？)(VfdVdQC平帶平帶電容電容- -電壓特性電壓特性3710.2 C-V10.2 C-V特性特性 堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)加負柵壓，加負柵壓，堆積層堆積層電荷能夠跟得上電荷能夠跟得上柵壓的變化，相當于柵介質平板電柵壓的變化，相當于柵介質平板電容容oxoxoxtCC)acc( 平帶平帶本征本征38柵氧化層柵氧化層

18、電容：電容：10.2 C-V10.2 C-V特性特性 平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)所加負柵壓正好等于平帶電壓所加負柵壓正好等于平帶電壓V VFBFB，使，使半導體表面能帶無彎曲半導體表面能帶無彎曲asoxoxoxoxFBeNekTttC平帶平帶本征本征3910.2 C-V10.2 C-V特性特性 耗盡（耗盡（Deplete)Deplete)狀態(tài)狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容平帶平帶本本征征C相當與相當與Cox與與C sd串聯(lián)串聯(lián)min(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep( CxVdG4010.2 C

19、-V10.2 C-V特性特性 強反型狀態(tài)強反型狀態(tài)( (低頻低頻) )加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層電荷跟得上柵壓的變化電荷跟得上柵壓的變化平帶平帶本征本征oxoxoxtCC)inv( 4110.2 C-V10.2 C-V特性特性 n n型與型與p p型的比較型的比較p p型襯底型襯底MOSMOS結構結構n n型襯底型襯底MOSMOS結構結構42負偏柵壓時為堆積模式，負偏柵壓時為堆積模式，正偏柵壓時為反型模式。正偏柵壓時為反型模式。正偏柵壓時為堆積模式，正偏柵壓時為堆積模式，負偏柵壓時為反型模式。負偏柵壓時為反型模式。10.2 C-V10.2 C-V特性特

20、性 11.2.211.2.2反型狀態(tài)反型狀態(tài)( (高頻高頻) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( 加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓變化較快，反型層電荷跟不上柵壓的變化，只變化較快，反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗盡層電容對有耗盡層電容對C C有貢獻。此時，耗盡層寬度有貢獻。此時，耗盡層寬度乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。MHz1fHz1005f柵壓頻率的影響柵壓頻率的影響43小節(jié)內容小節(jié)內容n理想情況理想情況CVCV特性特性nCVCV特性概念特性概念n堆積平帶耗盡反型下的概念

21、堆積平帶耗盡反型下的概念n堆積平帶耗盡反型下的計算堆積平帶耗盡反型下的計算n頻率特性頻率特性n高低頻情況圖形及解釋高低頻情況圖形及解釋4410.2.310.2.3固定柵氧化層電荷和界面電荷效應固定柵氧化層電荷和界面電荷效應n對對MOSMOS的的C-VC-V的影響主要有兩種：的影響主要有兩種：（1 1）固定柵氧化層電荷）固定柵氧化層電荷（2 2）氧化層）氧化層- -半導體界面電荷半導體界面電荷 10.2 C-V10.2 C-V特性特性 氧化層電荷的影響氧化層電荷的影響曲線左移，反之右移VCVQFBss例圖例圖: :如果如果QssQss均為正電荷均為正電荷, ,需需要額外犧牲負電荷來中和界要額外犧

22、牲負電荷來中和界面的正電面的正電, ,所以平帶電壓更負所以平帶電壓更負- - - - - + ssFBmsoxQVC平帶電壓4610.2 C-V10.2 C-V特性特性 界面陷阱的分類界面陷阱的分類被電子占據（在被電子占據（在E EFSFS之下）帶負電，不被電子占據（在之下）帶負電，不被電子占據（在E EFSFS之上）為中性之上）為中性被電子占據（在被電子占據（在E EFSFS之下）為中性，不被電子占據（在之下）為中性，不被電子占據（在E EFSFS之上）帶正電之上）帶正電（界面陷阱）（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子帶負電受主態(tài)容易接受電子帶負電正常情況熱平衡不帶電正常情況熱平衡不帶電施主態(tài)容易放出電子帶正電施主態(tài)容易放出電子帶正電圖圖11.32 11.32 氧化層界面處界面態(tài)示意圖氧化層界面處界面