半導(dǎo)體物理與器件(1)

1、2022-2-25.半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 張麗張麗第第1111章章 MOSFET MOSFET基礎(chǔ)基礎(chǔ)1.2 C-V1.2 C-V特性特性1.3MOS1.3MOS管原理管原理2022-2-25.1.2 C-V特性特性 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容n理想理想MOS電容的電容的CV特性特性n氧化層電荷對(duì)氧化層電荷對(duì)CV特性影響特性影響n界面態(tài)概念及對(duì)界面態(tài)概念及對(duì)CV特性影響特性影響2022-2-25.1.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性特性MOS電容電容C=dQ/dV=Cox與與Cs的串聯(lián)的串聯(lián)dVdQ

2、C 器件電容定義器件電容定義:相當(dāng)于金屬電容與半導(dǎo)體電容串聯(lián)相當(dāng)于金屬電容與半導(dǎo)體電容串聯(lián)電阻越串越大，電容越串越小電阻越串越大，電容越串越小2022-2-25.1.2 C-V特性特性 理想理想MMOSOS電容電容C-VC-V特性特性電容電容-電壓特性測試曲線電壓特性測試曲線直流電壓：決定器件工作點(diǎn)，調(diào)整大小使直流電壓：決定器件工作點(diǎn)，調(diào)整大小使MOS先后處于堆積、平帶、先后處于堆積、平帶、耗盡、本征、反型幾種狀態(tài)耗盡、本征、反型幾種狀態(tài)交流電壓：幅值比較小，不改變交流電壓：幅值比較小，不改變S的狀態(tài)的狀態(tài)測量電源：測量電源：MOS外加?xùn)艍海谥绷麟妷荷席B加一交流小信號(hào)電壓。外加?xùn)艍?，在直流?/p>

3、壓上疊加一交流小信號(hào)電壓。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)加直流負(fù)柵壓，堆積層電荷能夠跟得上交流小加直流負(fù)柵壓，堆積層電荷能夠跟得上交流小信號(hào)柵壓的變化。信號(hào)柵壓的變化。直觀：相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容直觀：相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容公式：面電荷密度隨表面勢指數(shù)增加。公式：面電荷密度隨表面勢指數(shù)增加。oxoxoxtCC)acc( 2022-2-25.1.2 C-V特性特性 平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導(dǎo)體表，使半導(dǎo)體表面能帶無彎曲面能帶無彎曲asoxoxoxoxFBeNekTttC2022-2-25.1.2 C-V特性特性 耗

4、盡狀態(tài)耗盡狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨交流小信號(hào)柵加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨交流小信號(hào)柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容CSD)dep( CxVdGC相當(dāng)與相當(dāng)與Cox與與Csd串聯(lián)串聯(lián)2022-2-25.1.2 C-V特性特性 強(qiáng)反型狀態(tài)強(qiáng)反型狀態(tài)CV特性測量直流偏壓加交流信號(hào)，特性測量直流偏壓加交流信號(hào)，VG變化，半導(dǎo)體表面電荷變化，半導(dǎo)體表面電荷變化由誰來貢獻(xiàn)？變化由誰來貢獻(xiàn)？與交流信號(hào)的頻率有關(guān)。與交流信號(hào)的頻率有關(guān)。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 反型層電荷來源反型層電荷來源2022-2-25 反型層電荷來源：（熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少子）反型

5、層電荷來源：（熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少子）1 1、P P襯少子電子通過耗盡層到反型層（擴(kuò)散襯少子電子通過耗盡層到反型層（擴(kuò)散+ +漂移）漂移）2 2、耗盡層中熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子漂移到反型層。、耗盡層中熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子漂移到反型層。熱運(yùn)動(dòng)：電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，熱運(yùn)動(dòng)：電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴， （電子熱運(yùn)動(dòng)掙脫共價(jià)鍵束縛的過程）（電子熱運(yùn)動(dòng)掙脫共價(jià)鍵束縛的過程）半導(dǎo)體始終存在熱運(yùn)動(dòng)過程，不斷有電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合。半導(dǎo)體始終存在熱運(yùn)動(dòng)過程，不斷有電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合。柵壓正向變化對(duì)應(yīng)電子產(chǎn)生過程，負(fù)向變化對(duì)應(yīng)電子復(fù)合過程?hào)艍赫蜃兓瘜?duì)應(yīng)電子產(chǎn)生過

6、程，負(fù)向變化對(duì)應(yīng)電子復(fù)合過程;少子的產(chǎn)生復(fù)合過程需要時(shí)間少子的產(chǎn)生復(fù)合過程需要時(shí)間 。反型層電荷是否跟得上信號(hào)變化與信號(hào)頻率相關(guān)：反型層電荷是否跟得上信號(hào)變化與信號(hào)頻率相關(guān)：2022-2-25.1.2 C-V特性特性 強(qiáng)反型狀態(tài)強(qiáng)反型狀態(tài)( (低頻低頻) )oxoxoxtCC)inv( 加大的正直流柵壓：半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型狀態(tài)加大的正直流柵壓：半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型狀態(tài)交流柵壓變化較慢：反型層電荷跟得上柵壓的變化交流柵壓變化較慢：反型層電荷跟得上柵壓的變化直觀：直觀：相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容公式：面電荷密度隨表面勢指數(shù)增加。公式：面電荷密度隨表面勢指數(shù)增加。中反型：近似認(rèn)為中反型：近似

7、認(rèn)為只改變耗盡層電荷到只改變反型層電荷之間的過渡區(qū)只改變耗盡層電荷到只改變反型層電荷之間的過渡區(qū)2022-2-25.1.2 C-V特性特性 反型狀態(tài)反型狀態(tài)( (高頻高頻) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( Hz1005fMHz1f加較大的直流正柵壓：加較大的直流正柵壓：半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型狀態(tài)半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型狀態(tài)交流柵壓變化較快：反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有交流柵壓變化較快：反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗盡層電荷對(duì)耗盡層電荷對(duì)C有貢獻(xiàn)?？傠娙?？有貢獻(xiàn)。總電容？交流小信號(hào)：交流小信號(hào)：耗盡層寬度乃至耗盡層電容隨柵壓變化微弱。耗盡層寬度乃至耗盡層電容隨柵壓變化微弱

8、。總電容值？總電容值？2022-2-25.1.2 C-V特性特性 n n型與型與p p型的比較型的比較p型襯底型襯底MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n型襯底型襯底MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2022-2-25.1.2 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:因?yàn)橐驗(yàn)镼ss均為正電荷均為正電荷,需要額外犧牲負(fù)電荷來中和需要額外犧牲負(fù)電荷來中和界面的正電界面的正電asoxoxoxoxFBeNekTttCQss使得使得S表面處于任狀態(tài)時(shí)與無表面處于任狀態(tài)時(shí)與無Qss相比相比VG都左移，都左移，Qss不是柵壓的函數(shù)，柵壓改變不影響不是柵壓的函數(shù)，柵壓改變不影

9、響Qss大小，移量相等。大小，移量相等。2022-2-25.1.2 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(jù)（在被電子占據(jù)（在EFS之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在EFS之上）為中性之上）為中性被電子占據(jù)（在被電子占據(jù)（在EFS之下）為中性，不被電子占據(jù)（在之下）為中性，不被電子占據(jù)（在EFS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(fù)電受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)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界面電荷是柵壓的函數(shù)：柵壓會(huì)改變界面電荷是柵壓的函數(shù)：柵壓會(huì)改變S S表面的表面

10、的E EF F相對(duì)位置相對(duì)位置2022-2-25.2022-2-251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影響界面陷阱的影響: :本征本征本征態(tài)本征態(tài)本征態(tài)：界面電荷不帶電，本征態(tài)：界面電荷不帶電，對(duì)對(duì)C-VC-V曲線無影響曲線無影響禁帶中央：禁帶中央：CV曲線實(shí)虛線重和曲線實(shí)虛線重和2022-2-25.2022-2-251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影響界面陷阱的影響: :本征前本征前本征之前：本征之前：EFiEF，總有施主態(tài)在總有施主態(tài)在EFSEFS之之上，施主態(tài)上，施主態(tài)失去電子界面陷阱帶正電。失去電子界面陷阱帶正電。正施主態(tài)數(shù)量是柵壓的函數(shù)。正施主態(tài)數(shù)量是柵壓的函數(shù)。C-V曲線左移，左

11、移量隨柵壓不等曲線左移，左移量隨柵壓不等- - - - - -+ 例圖例圖:需要額外犧牲三個(gè)負(fù)電荷需要額外犧牲三個(gè)負(fù)電荷來中和界面態(tài)的正電來中和界面態(tài)的正電本征態(tài)本征態(tài)- - - 2022-2-25.2022-2-25本征之后：本征之后： EFi場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管2022-2-25.1.3MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)L ：溝道長度：溝道長度W ：溝道寬度：溝道寬度tox ：絕緣層厚度：絕緣層厚度 絕緣柵場效應(yīng)晶體管（絕緣柵場效應(yīng)晶體管（Insulated Gate, IGFET）：）： 柵極與其它電極之間是相互絕緣的。柵極與其它電極之間是相互絕緣的。 金屬金屬-

12、絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(1)(1) n溝道溝道MOSFET：NMOSp型襯底，型襯底，n型溝道，電子導(dǎo)電型溝道，電子導(dǎo)電VDS0，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道MOSFET：PMOSn型襯底，型襯底，p型溝道，空穴導(dǎo)電型溝道，空穴導(dǎo)電VDS0n溝道溝道耗盡型耗盡型MOSFET(D型：型：Delption)零柵壓時(shí)已存在反型溝道，零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VPN02022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(3)(3) p

13、溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP0由于氧化層中正電荷及功函由于氧化層中正電荷及功函數(shù)差等關(guān)系，數(shù)差等關(guān)系，N型無論怎樣摻型無論怎樣摻雜都不能做出耗盡管，這時(shí)雜都不能做出耗盡管，這時(shí)需要摻些需要摻些P型雜質(zhì)型雜質(zhì)思考：氧化層中的正電荷對(duì)思考：氧化層中的正電荷對(duì)這四類管子閾值電壓的影響這四類管子閾值電壓的影響2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(4)(4)n按載流子類型分：按載流子類型分： NMOS；PMOS: n按導(dǎo)通類型分：按導(dǎo)通類型分： 增強(qiáng)型；耗盡型：增強(qiáng)型；耗盡型：n四種四種MOS晶體管：

14、晶體管： N溝增強(qiáng)型；溝增強(qiáng)型；N溝耗盡型；溝耗盡型；P溝增強(qiáng)型；溝增強(qiáng)型；P溝耗盡型溝耗盡型2022-2-25.1.3MOSFET原理原理 VGS的作用的作用開表面強(qiáng)反型，溝道開啟0I:DGSTVV關(guān)閉表面非強(qiáng)反型，溝道關(guān)0I:DGSTVV）放大（溝道開啟條件下DGSIVVT:剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓VGSvGS 越大，溝道載流子越多越大，溝道載流子越多,在相同的在相同的vDS作用下，作用下，ID越大。越大。2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 V VDSDS的作的作用用VDS的作用：的作用：n形成溝道電流：形成溝道電流：NMOS(VDS0)PMOS(

15、VDSVT, VDSVT, VDS(VGS-VT) ，恒流區(qū)（壓控電流源）。恒流區(qū)（壓控電流源）。 （III）擊穿區(qū)：反向偏置的漏襯結(jié)雪崩倍增而擊穿。）擊穿區(qū)：反向偏置的漏襯結(jié)雪崩倍增而擊穿。（IV）截止區(qū)）截止區(qū): VGS線性區(qū)跨導(dǎo)線性區(qū)跨導(dǎo)器件放大應(yīng)用，一般工作在飽和區(qū)。原因？器件放大應(yīng)用，一般工作在飽和區(qū)。原因？2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨導(dǎo)影響因素跨導(dǎo)影響因素?zé)o關(guān)與飽和區(qū)（DSTGSTGSoxnmssatDSDSVVVVVLCWgVV)()( .VGS較小：較?。号c與VGS無關(guān)，無關(guān)，gms VGS .VGS較大：較大：VGS=表面散射表面散射=；gms隨隨VG

16、S而而變緩變緩 .V.VGSGS為一較大值：為一較大值： 1/(V 1/(VGSGS-V-VT T), g), gmsms隨隨V VGSGS達(dá)到最大達(dá)到最大 IV.V IV.VGSGS很大：很大： g gmsms隨隨V VGSGS而而VGS=表面散射表面散射=mg2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨導(dǎo)影響因素跨導(dǎo)影響因素:R:RS S、R RD D的影響的影響 Rs對(duì)對(duì)MOS管跨導(dǎo)影響管跨導(dǎo)影響Rs降低了跨導(dǎo)（晶體管增益），而且降低了跨導(dǎo)（晶體管增益），而且Rs越大，降低程度越大越大，降低程度越大Rs=0,VGS=VGS;Rs不等于不等于0,VGS=VGS-ID*RS;2022

17、-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨導(dǎo)跨導(dǎo): :提高途徑提高途徑oxpnoxsmtLWQoxpnLtWg表面平整度），111（）100優(yōu)選晶面（)(溝溝：優(yōu)優(yōu)選材料體表面材料參數(shù)材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)工藝參數(shù)在工作電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)提高器件偏置電壓在工作電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)提高器件偏置電壓VGS降低串聯(lián)電阻降低串聯(lián)電阻RS2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 （溝道電導(dǎo)）漏導(dǎo)（溝道電導(dǎo)）漏導(dǎo): :模型模型常數(shù)GSVDSDdVIg無關(guān)與非飽和區(qū)（含線性區(qū)，DSGSTGSoxndLDSDSTGSoxnDsatDSDSVVVVLCWgVVVVLCWIVV)()(22)02)(

18、趨于無關(guān)與飽和區(qū)（dsDSdsTGSoxnDsatDSDSrVgVVLCWIVV, 0)()2)(溝道電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：溝道電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：VGS一定時(shí)，漏電流隨漏源電壓的變化率一定時(shí)，漏電流隨漏源電壓的變化率表明線性區(qū)導(dǎo)通能力（導(dǎo)通電阻）表明線性區(qū)導(dǎo)通能力（導(dǎo)通電阻）器件開關(guān)應(yīng)用時(shí)，一般工作在線性區(qū)。原因？器件開關(guān)應(yīng)用時(shí)，一般工作在線性區(qū)。原因？）（）（導(dǎo)通電阻：TGSOXTGSVVWCLVVR1on2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 漏導(dǎo)漏導(dǎo): :影響因素影響因素RS，RD：SD電極間電阻增加，電導(dǎo)下降電極間電阻增加，電導(dǎo)下降無關(guān)與非飽和區(qū)（含線性區(qū)，DSGSTGSoxndLsat

19、DSDSVVVVLCWgVV)()0)(? )(1)()(effdDsmddDDsDSDSDsgRRgggIRRVVRR的影響增加線性區(qū)溝道電導(dǎo)的途徑？增加線性區(qū)溝道電導(dǎo)的途徑？非飽和區(qū)漏導(dǎo)等于飽和區(qū)跨導(dǎo)非飽和區(qū)漏導(dǎo)等于飽和區(qū)跨導(dǎo))()(TGSoxnmssatDSDSVVLCWgVV飽和區(qū)（Rs=0, RD=0，VDS=VDSRs, RD不等于不等于0,VDS=VDS-ID*(RS+RD)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 需掌握需掌握內(nèi)內(nèi)容容n電流電壓關(guān)系電流電壓關(guān)系推導(dǎo)推導(dǎo)n理解緩變溝道近似理解緩變溝道近似n線性區(qū)和飽和區(qū)線性區(qū)和飽和區(qū)IV關(guān)系的推導(dǎo)關(guān)系的推導(dǎo)n跨導(dǎo)定義、公式

20、和影響因素跨導(dǎo)定義、公式和影響因素n溝道電導(dǎo)定義、公式和影響因素溝道電導(dǎo)定義、公式和影響因素)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，當(dāng)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(1)(1)0必須反偏或必須反偏或零偏零偏Vsb=Vs-Vb0,即即Vb更負(fù)（這樣才反偏）更負(fù)（這樣才反偏）在溝道源端感應(yīng)出來的電子全跑掉了在溝道源端感應(yīng)出來的電子全跑掉了2022-2-25.2022-2-251.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(2)(2)VSB0源區(qū)電勢能源區(qū)電勢能=-e(VD+VSB)VSB=0源區(qū)電勢

21、能源區(qū)電勢能=-eVD源襯結(jié)能帶圖：襯底源襯結(jié)能帶圖：襯底0勢能參考點(diǎn)勢能參考點(diǎn)反型時(shí)，反型時(shí)，V VDSDS=0=0，反型層溝道連接源漏，溝道和源區(qū)電子勢能近似相等，反型層溝道連接源漏，溝道和源區(qū)電子勢能近似相等V VSBSB=0=0時(shí)，半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體s近似等于源襯結(jié)內(nèi)建電勢差近似等于源襯結(jié)內(nèi)建電勢差V VD DV VSBSB 0 0時(shí)，半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體s近似等于近似等于V VD D+V+VSBSB2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(2)(2)2(220(max)fpasSDfpsSBNeQV)2(220(max)SBfpasSDSBfpsSBVNeQVV襯底偏壓襯底偏壓反型條件反型條件耗盡層電荷耗盡層電荷VSB0，源區(qū)電勢能源區(qū)電勢能=-e（VD+VSB)DfpV22022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(4)(4)負(fù)的耗盡層電荷更多負(fù)的耗盡層電荷更多VSB的存在使閾值電壓增加，的存在使閾值電壓增加，且且VSB越大，越大，VT越大越大msf