半導(dǎo)體物理-chapter第六章MOS場效應(yīng)晶體管

主要內(nèi)二、MOSFET的工作半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)隨著集成電路設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，目前大部分超大規(guī)模集成電路都是MOS集成電路。在數(shù)字集成電路，尤其是微處理機(jī)和器方面，MOS集成此外，MOS在一些特種器件，如CCD（電荷耦合器半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)促進(jìn)MOS(d半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOSFETMOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOS場效應(yīng)晶體管是四端器件B(substrate若若柵極材料用金屬鋁，則稱“鋁柵”器件若柵極材料用高摻雜的多晶硅，則稱“硅柵”器件。目前分 。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)NMOSNMOSN＋LW。對于對于NMOS，通常漏源之間加偏壓后，將電位低的一端成為源，電位高的一端稱為漏，電流方半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MIS MIS半導(dǎo)體器件以P半導(dǎo)體的MIS結(jié)構(gòu)為當(dāng)柵上加負(fù)電壓，所產(chǎn)生的感生電荷是被吸引到表面的（空穴），在半導(dǎo)體表面形成積累層耗隨著正電壓的加大,負(fù)電荷區(qū)逐漸加寬，同時(shí)被吸引到表面的電子也隨著增加。當(dāng)電壓達(dá)到某一“閾值”時(shí)，吸引到表面的電子濃度迅速增大，在表面形成一個(gè)電子導(dǎo)電層，即反型層。反型層出現(xiàn)后，再增加電極上的電壓，主要是反型層中的電子增加，由電離受主構(gòu)成的耗盡層電荷基本不再增加。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)形成反型層的條 半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)VG繼續(xù)增大，使表面能級(jí)EF與本征能級(jí)Ei相等時(shí)，表面電子濃度開始要超過空穴濃度，表面將從P型轉(zhuǎn)為N型，稱為“弱反型”。發(fā)生弱反型時(shí)電子濃度仍舊很低，并不起顯半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)當(dāng)表面勢達(dá)到勢的此時(shí)，柵極電壓VG稱為閾半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)VG繼續(xù)增大，耗盡層電荷QB和表面勢Vs＝VF基本不再VG對于表面反型層中的電子，一邊是絕緣層，一邊是導(dǎo)帶彎曲形成的一個(gè)陡坡（空間電荷區(qū)電場形成的。PP型半導(dǎo)體的表面反型層由電子構(gòu)成，稱為N同理N型半導(dǎo)體的表面反型層由空穴構(gòu)成，稱為P半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)能帶向下彎曲2qVF，即表面勢達(dá) 勢的兩倍Vs施加在柵電極上的電壓VG為閾值電壓 VT2VF B2VF

(40SiNAqVF)QBCoxMISC0CTT半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOSFET的直流特閾值電平帶電壓在實(shí)際的MOS結(jié)構(gòu)中，柵氧化層中往往存在電（Qfc），金屬—半導(dǎo)體功函數(shù)差Vms也不等于零（金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)的定義為真空中靜止電子的能量E0和能級(jí)之差），因此，當(dāng)VG＝0時(shí)半導(dǎo)體表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲。為使能帶平直，需加一定的外加?xùn)艍喝パa(bǔ)償上述兩種因素的影響，這個(gè)外VFB

C C半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)NNa可移動(dòng)離子電荷 mK氧化物固定電荷Q 氧化物陷阱電 ++++ 界面陷阱電SiOSi熱氧化硅形成的SiSiO2系統(tǒng)中的各類電荷半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)閾值電

QBC C

Qfc

半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOSFET的電流－電壓關(guān)MOSFET：當(dāng)MOSFET溝道中有電流流過時(shí)，沿溝道方向會(huì)產(chǎn)生壓降，使MOS結(jié)構(gòu)處于非平衡狀態(tài)，N型溝道的厚度、能帶連同其 能級(jí)沿y方向均隨著電壓的變化發(fā)。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作當(dāng)VGS＞VT，且固定為某一值時(shí)，分析漏對N型溝道和P型襯底之間的PN結(jié)來講，結(jié)上的偏置情況沿溝道方向發(fā)生變化?？拷炊颂嶱N結(jié)為正偏，而在靠近漏端處的那部分PN結(jié)為反偏，因此，襯底和溝道之間的PN結(jié)在靠近源端和靠近漏端處的耗盡層寬度是不同的。從而，溝道的截面積也不相等，靠源端處溝道的截面積最大，沿溝道方向逐步減小，靠漏半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)

漏源電壓

DS對溝道的（I）線性當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，溝道分布如右圖，此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中，沿溝道方向溝道截面積不相等的現(xiàn)象很不明顯，因此，源漏電流 W 1 隨著VDS的增加，沿溝道方向溝道截面積不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn)出來，漏端處的溝道變窄，溝道電阻增大，IDVDS半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)（II）飽和 1 W V 半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)（III）擊穿VDSVDSIDSPN半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué) 應(yīng)為 。在 漂流D的相同方法導(dǎo)D

~eVGVTID

必須將MOSFET偏置在比 低0.5V（實(shí)例）或更低的電壓值，以 值區(qū)電流減小到可以忽略不計(jì)半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)擺幅(s):ID-VG曲線斜率的倒數(shù)，室溫下理想值是60mV/dec。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)襯底偏置效VBS≠0MOSFET的增大而展寬，會(huì)有的空穴被耗盡，使表面空I半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線斜率轉(zhuǎn)移特性曲線斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制gm=ID/VGSMOSFET半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)長溝道理論假定溝道長度大到足可以忽略邊緣效應(yīng)，因而沿溝道邊緣的“邊緣”效應(yīng)可以忽略，用緩變溝道近似對器件進(jìn)行一維分析。如果器件的溝道長度小到可以與源結(jié)和漏結(jié)的耗盡層寬度相比擬時(shí)，源結(jié)和漏結(jié)的耗盡區(qū)將對溝道內(nèi)電勢分布有著顯著的影響，不能再用緩變溝道近似來處理，而要用二維分析。同時(shí)溝道內(nèi)自由載流子的漂移速度將達(dá)到飽和,將偏離了長溝器件特性的種種現(xiàn)象總稱為短溝道效應(yīng)。具體來說，短溝道效應(yīng)主要指(1)閾值電壓隨溝道長度的下降而下降；(2)溝長縮短以后，漏源間高電場使遷移率下降，跨導(dǎo)下降；(3)弱反型漏電流將隨溝道長度半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)的電子上，或終止在耗盡

ADxWLCxADxWLCxdMCBSi/SiO2VDS＝0n+半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)若將這種邊緣效應(yīng)考慮在內(nèi)，VDS≈0條件下，表面耗盡區(qū)占有的空間變成截面為梯形的立方體。與不考慮邊緣效應(yīng)相比，表面耗盡區(qū)總電荷量減少，于是真正受到柵極控制的表面空間電荷區(qū)將隨溝長的縮短而減小，引起dox越大，Cdox越大，Cox越小，閾值電壓變化越大，短溝道效應(yīng)越大，為減小短溝道效應(yīng)，襯底濃度越低，xdm越大，短溝道效應(yīng)越結(jié)深xj越大，短溝道效應(yīng)越有效閾電壓與溝道長度半導(dǎo)體器件

電子與信息W窄溝道效

沿溝道寬度方向的表面耗盡區(qū)窄溝道效應(yīng)發(fā)生于溝道寬度變小的MOSFET中，窄溝道效于溝道寬度方向邊緣上表面耗盡區(qū)的側(cè)向擴(kuò)展，這種側(cè)向擴(kuò)展與柵電極在溝道區(qū)以外場氧化膜上的覆蓋有直接關(guān)系。上圖代表鋁柵MOST的一種典型情況，為了將柵電極引出，溝道兩側(cè)覆蓋區(qū)的長度不均等。由于場氧化膜的厚度遠(yuǎn)大于柵氧化膜的厚度，柵極電壓使溝道區(qū)強(qiáng)反型時(shí)，柵電極下場區(qū)一般處于耗盡或弱反型，其耗盡區(qū)厚度小于強(qiáng)反型區(qū)，由此形成如上圖所表示的表面耗盡區(qū)分布。若考慮表面耗盡區(qū)的側(cè)向擴(kuò)展，柵電極上正電荷發(fā)出的場強(qiáng)線除大部分終止于柵氧化層下耗盡區(qū)電離受主以外，還有一部分場強(qiáng)線終止于側(cè)向擴(kuò)展區(qū)電離受主，結(jié)果是使終止于反型層的場強(qiáng)線數(shù)目減少，溝道電荷減少，電阻半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)影響溝道遷移率的晶格散射和表半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)飽和漏源電壓及飽和漏電流都小于長溝理論預(yù)示值②IDsat與（VG－VT）間不呈現(xiàn)平方關(guān)系，而近似是線性變化，飽和區(qū)跨導(dǎo)近似等于常溝道載流子水平方向漂移速度vy，低場區(qū)vy正比于|Ey|，遷移率等于常數(shù)；隨著|Ey|增大，vy上升逐漸變慢直至|Ey|增加到極限散射漂移臨界場強(qiáng)，載流子漂移速度達(dá)到最大值—：v

|Ey

|E|率(不考率(不考慮寄生因素)，ECvy |Ey|半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)長溝長溝MOSFET的漏電流飽和機(jī)構(gòu)是溝道漏端夾斷。短溝器件漏電流飽和機(jī)構(gòu)不同于長溝器件。溝道中隨水平方向場強(qiáng)增加，載流子漂移速度逐漸趨向飽和，一旦增加到臨界場強(qiáng)，vy達(dá)到vsl就不再增大，這叫做漂移速度飽和。短溝MOSFET由于溝道短，一定VDS之下的溝道水平方向場強(qiáng)高，所以更有可能出現(xiàn)漂移速度飽和。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)當(dāng)v(y)=vsat時(shí),溝道面積減小，不可能再通過增加載流子的漂為了維持電流的連續(xù)性，在溝道變窄區(qū)將有的電子注入，形成電子積累；同理，在溝道突然變寬處，形成電子耗盡。于是繼續(xù)增加的漏源電壓將降落在靜電偶極層上，使漏電流提前體器件

電子與信息速度飽和效應(yīng)對短溝道MOSFET的輸出特性的影長溝道度未飽

短溝速度飽半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)漏場感應(yīng)勢壘下降(DIBL(DIBL)＝DrainInducedBarrier短溝道器件，由于源和漏擴(kuò)散區(qū)互相靠近，它們之間的空間間隔有可能不夠容納兩個(gè)耗盡區(qū)，VDS＞0時(shí)，從漏區(qū)發(fā)出的場強(qiáng)線的一部分一直到源區(qū)，漏區(qū)增加的電荷不僅對靠近漏區(qū)的溝道及耗盡區(qū)有影響，而是對整個(gè)柵極下面半導(dǎo)體溝道長度越短，VDS越大，貫穿的電力線越多，勢壘降低的也就越多，這一現(xiàn)象稱為DIBL效應(yīng)。源漏兩區(qū)之間的勢壘降低ID?？紤]DIBL效應(yīng)，可以解釋短溝道MOSFET中出現(xiàn)的兩個(gè)重要現(xiàn)半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)第一個(gè)現(xiàn)象是襯偏電壓等于常數(shù)時(shí)有效閾值電壓隨VDS增加而下降。隨VDS增加，勢壘明顯地降低，由源區(qū)注入溝道區(qū)的電子增加，溝道導(dǎo)電能力更強(qiáng)，對于給定的VGS，實(shí)際上就是有效閾電壓下降。L越短，VT越小半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)另一個(gè)現(xiàn)象是指定VGS之下，短溝MOST的 值電流隨VDS增加而增大(長溝器件中，VDS>3kT/q時(shí)，IDsub不隨VDS的變化而改變)。襯 值電流是由越過源端勢壘注入到溝道區(qū)的電子流形成的，勢壘高注入量 根據(jù)DIBL效應(yīng)，短溝器件的勢壘高度受VDS控制，因而IDsub隨的變化而改變。隨L的縮短IDsub增加，轉(zhuǎn)移特性斜率的倒數(shù)S將增大。在溝長很短時(shí)，ID隨VGS的變化很小，或者說VGS已不再能控制ID，此時(shí)MOSFET已不能截止，但此時(shí)ID則與VDS有依賴關(guān)半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)ΔIDΔIDIDIΔIDID長溝 值特性的最小溝道長

ID及ΔID隨1/LMOSFET①測量導(dǎo)通狀態(tài)下漏電流隨1/L的變化關(guān)系。長溝器件ID與1/L間滿足線性變化關(guān)系，偏離線性關(guān)系即意味著出現(xiàn)短溝ID-1/L10％的L②測量電流隨VDS的變化。長溝器件應(yīng)當(dāng)滿足VDS＞3kT/q時(shí)，IDsub不隨VDS變化，在兩個(gè)指定的VDS之下測出的IDsub若不相等，則發(fā)生了短溝道效應(yīng)，一般將電流相對變化增加10L半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)熱載流子效應(yīng)Hotelectroneffects半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)溝道漏附近能量較大的電子稱為熱電子，熱電子若具有能克服Si～SiO2間勢壘（約3.1eV）的能量，就能進(jìn)入柵氧化層。這些電子中的一部分從柵極流出構(gòu)成柵極電流IG，其余部分則陷在SiO2的電子陷阱中。這些電子將隨時(shí)間而積累，長時(shí)期后將對MOSFET的性能產(chǎn)生如下影VT向正方向漂移，即VT因界面態(tài)密度增大而導(dǎo) 電流IDsub的增大半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)由于熱電子效IG成比例，所以可用測IG的大小來推算熱電子效應(yīng)的大IGVDS、VGSL有關(guān)。IG隨VDS的增加而增加。對于VGSVGS=VDS附近出現(xiàn)峰值。IGL的縮短而增加。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOS若柵電壓為零時(shí)不存在導(dǎo)電溝道，必須在柵上施加電壓才能形成反型層溝道的器件稱為增強(qiáng)（閉）型MOSFET；若在零偏壓下即存在導(dǎo)電溝道，必須在柵上施加偏壓才能使溝道內(nèi)載流子耗盡的MOSFET。NP溝增強(qiáng)型、半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)1、n溝和p按溝道載流子的類型來劃 ：電子導(dǎo) pMOSFET：空穴導(dǎo)2MOSFET不導(dǎo)通，ID=0半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOSFETMOSFET的瞬態(tài)特性是由器件的電容效應(yīng)，即器件中的電荷效應(yīng)引起的。MOSFET中的：反型層或溝道的反型電荷溝道下面的耗盡區(qū)體電荷柵極電荷QG由漏－襯底、源－襯底PN根據(jù)其特性，可以將這些電荷分成本征部分和非本征半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)在交流高頻情況下，MOS器件對這些本征電容和非本征電容電容充放電存在一定延遲時(shí)間。此外，載流子渡越溝道也需要一定的時(shí)間，這些延遲時(shí)MOSFET半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)截止頻率截止頻率定義為輸入電流與交流短路輸出電流相等時(shí)對應(yīng)的頻率，記為fT。通常，把流過Cgs的電流上升到正好等于電壓控制gmvgsωTCgsvgs=gmsvgs→ωT=gm/Cgs 3n V 4 漏極電流對柵極信號(hào)電壓的響應(yīng)是通過載流子在溝道中的輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)的，載流子從源到漏的運(yùn)動(dòng)需要一定時(shí)間、因而柵極加了。半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)MOSFET半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)TheIdealMOS半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)

襯底的柵的變溝道的源漏的SOISilicon-On-Insulator(SOI)SOI技術(shù)是指先形成一種“單晶硅薄膜--襯底材料”的結(jié)構(gòu)，然后采用平面工藝襯底絕緣的單晶硅薄層 集成電路CMOSversusSOI半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)金屬金屬新型柵柵新型柵柵的高K半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)雙柵MOSFET和三柵半導(dǎo)體器件物 電半導(dǎo)體器件物 電子與信息學(xué)FinFET的結(jié)傳統(tǒng)的MOS器件都是屬于平面結(jié)構(gòu)，電流的大小受其空間的限制，為了用更小尺寸的器件得到更大的電流，可以考慮將溝道設(shè)計(jì)成三維結(jié)構(gòu)，這樣在同樣的溝道長度下電流的橫截