MOSFET的閾電壓課件

MOSFET

的閾電壓

定義：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵電壓稱為閾電壓（或

開啟電壓），記為

VT

。

定義：當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時(shí)，稱為表面發(fā)生了

。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)無關(guān)。MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓

P

型襯底

MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓。上圖中，1、理想

MOS

結(jié)構(gòu)（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

QOX

=0）當(dāng)

VG

=0

時(shí)的能帶圖稱為

P

型襯底的費(fèi)米勢(shì)。3、實(shí)際

MOS

結(jié)構(gòu)當(dāng)

VG=

VFB

時(shí)的能帶圖當(dāng)時(shí)，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，這時(shí)

S=0，硅表面呈電中性。VFB

稱為

平帶電壓。COX

代表單位面積的柵氧化層電容，，TOX

代表柵氧化層厚度。4、實(shí)際

MOS

結(jié)構(gòu)當(dāng)

VG

=

VT

時(shí)的能帶圖要使表面發(fā)生強(qiáng)反型，應(yīng)使表面處的

EF

-

EiS

=

qFP，這時(shí)能帶總的彎曲量是

2qFP，表面勢(shì)為

S

=

S,inv

=

2FP。外加?xùn)烹妷撼^

VFB

的部分（VG

-VFB）稱為

有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的

VOX與降在硅表面附近的表面電勢(shì)

S，即

VG–VFB

=

VOX+S

表面勢(shì)

S使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)能帶的彎曲量是

2qFP，表面勢(shì)為

2FP，于是可得VT–VFB

=

VOX+2FP

VT

=

VFB+VOX+2FP可得

MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓為再將和上式代入

VT

=

VFB+VOX+2FP

中，關(guān)于

QA

的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。作為近似，在強(qiáng)反型剛開始時(shí)，可以忽略

Qn。QA

是

S

的函數(shù)，在開始強(qiáng)反型時(shí)，QA(

S

)=

QA(

2FP

)，故得

1、閾電壓一般表達(dá)式的導(dǎo)出MOSFET

與

MOS

結(jié)構(gòu)的不同之處是：a)柵與襯底之間的外加電壓由

VG

變?yōu)?VG-VB)，因此有效柵電壓由(VG-VFB)變?yōu)?VG-VB-

VFB)。b)有反向電壓(VS

-VB

)加在源、漏及反型層的

PN

結(jié)上，使強(qiáng)反型開始時(shí)的表面勢(shì)

S,inv

由

2FP

變?yōu)?

2FP+

VS-VB)。

5.2.2MOSFET

的閾電壓

以下推導(dǎo)

QA

的表達(dá)式。對(duì)于均勻摻雜的襯底，式中，，稱為

體因子。因此

MOSFET

的閾電壓一般表達(dá)式為稱為N

型襯底的費(fèi)米勢(shì)。同理，P

溝道

MOSFET

當(dāng)

VS=0，VB=0時(shí)的閾電壓為式中，F(xiàn)N

與

FP

可以統(tǒng)一寫為

FB，代表

襯底費(fèi)米勢(shì)。

2、影響閾電壓的因素當(dāng)

VS

=0，VB

=0

時(shí)，N

溝道與

P

溝道

MOSFET

的閾電壓可統(tǒng)一寫為a)柵氧化層厚度

TOX

一般來說，當(dāng)

TOX

減薄時(shí)，|VT

|是減小的。早期

MOSFET

的

TOX的典型值約為

150

nm

，目前高性能MOSFET

的

TOX可達(dá)

10

nm

以下。1015

cm-3時(shí)，約為

0.3

V。b)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)摻雜濃度為d)耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度

QAD由于

FB

與摻雜濃度

N

的關(guān)系不大，故可近似地得到e)柵氧化層中的電荷面密度

QOX

調(diào)整閾電壓主要是通過改變摻雜濃度

N（例如離子注入）和改變柵氧化層厚度

TOX來實(shí)現(xiàn)。~QOX與制造工藝及晶向有關(guān)。MOSFET一般采用（100）晶面，并在工藝中注意盡量減小

QOX的引入。在一般工藝條件下，當(dāng)

TOX

=150

nm

時(shí)，對(duì)于

N

溝道

MOSFET，

3、襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）

襯底偏置效應(yīng)：VT

隨

VBS

的變化而變化。當(dāng)

VS

=0

時(shí)，可將源極作為電位參考點(diǎn)，這時(shí)

VG

=

VGS

、VD

=

VDS、VB=

VBS。

4、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

R

小于溝道下的襯底耗盡區(qū)最大厚度