C-V特性-MOS管原理課件

2023/6/4半導(dǎo)體物理與器件西安電子科技大學(xué)XIDIDIANUNIVERSITY張麗第11章MOSFET基礎(chǔ)

1.2C-V特性1.3MOS管原理2023/6/41.2C-V特性本節(jié)內(nèi)容理想MOS電容的CV特性氧化層電荷對CV特性影響界面態(tài)概念及對CV特性影響2023/6/41.2C-V特性什么是C-V特性MOS電容C`=dQ/dV=Cox與Cs`的串聯(lián)器件電容定義: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2023/6/41.2C-V特性理想MOS電容C-V特性電容-電壓特性測試曲線直流電壓：決定器件工作點，調(diào)整大小使MOS先后處于堆積、平帶、耗盡、本征、反型幾種狀態(tài)交流電壓：幅值比較小，不改變S的狀態(tài)測量電源：MOS外加?xùn)艍?，在直流電壓上疊加一交流小信號電壓。2023/6/41.2C-V特性堆積狀態(tài)加直流負柵壓，堆積層電荷能夠跟得上交流小信號柵壓的變化。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。2023/6/41.2C-V特性平帶狀態(tài)所加負柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導(dǎo)體表面能帶無彎曲2023/6/41.2C-V特性耗盡狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨交流小信號柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容CSD`C’相當(dāng)與Cox與Csd’串聯(lián)2023/6/41.2C-V特性強反型狀態(tài)CV特性測量直流偏壓加交流信號，VG變化，半導(dǎo)體表面電荷變化由誰來貢獻？與交流信號的頻率有關(guān)。2023/6/41.2C-V特性反型層電荷來源2023/6/4

反型層電荷來源：（熱運動產(chǎn)生的少子）1、P襯少子電子通過耗盡層到反型層（擴散+漂移）2、耗盡層中熱運動產(chǎn)生電子空穴對，電子漂移到反型層。熱運動：電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，（電子熱運動掙脫共價鍵束縛的過程）半導(dǎo)體始終存在熱運動過程，不斷有電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合。柵壓正向變化對應(yīng)電子產(chǎn)生過程，負向變化對應(yīng)電子復(fù)合過程;少子的產(chǎn)生復(fù)合過程需要時間。反型層電荷是否跟得上信號變化與信號頻率相關(guān)：2023/6/41.2C-V特性強反型狀態(tài)(低頻)加大的正直流柵壓：半導(dǎo)體表面強反型狀態(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。中反型：近似認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)2023/6/41.2C-V特性反型狀態(tài)(高頻)加較大的直流正柵壓：半導(dǎo)體表面強反型狀態(tài)交流柵壓變化較快：反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗盡層電荷對C有貢獻?？傠娙?？交流小信號：耗盡層寬度乃至耗盡層電容隨柵壓變化微弱?？傠娙葜?？2023/6/41.2C-V特性

n型與p型的比較p型襯底MOS結(jié)構(gòu)n型襯底MOS結(jié)構(gòu)2023/6/41.2C-V特性氧化層電荷的影響-----++例圖:因為Qss均為正電荷,需要額外犧牲負電荷來中和界面的正電Q`ss使得S表面處于任狀態(tài)時與無Q`ss相比VG都左移，Q`ss不是柵壓的函數(shù)，柵壓改變不影響Q`ss大小，移量相等。2023/6/41.2C-V特性界面陷阱的分類被電子占據(jù)（在EFS之下）帶負電，不被電子占據(jù)（在EFS之上）為中性被電子占據(jù)（在EFS之下）為中性，不被電子占據(jù)（在EFS之上）帶正電（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子帶負電正常情況熱平衡不帶電施主態(tài)容易放出電子帶正電界面電荷是柵壓的函數(shù)：柵壓會改變S表面的EF相對位置2023/6/42023/6/41.2C-V特性界面陷阱的影響:本征本征態(tài)本征態(tài)：界面電荷不帶電，對C-V曲線無影響禁帶中央：CV曲線實虛線重和2023/6/42023/6/41.2C-V特性界面陷阱的影響:本征前本征之前：EFi>EF，總有施主態(tài)在EFS之上，施主態(tài)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)。C-V曲線左移，左移量隨柵壓不等------+++例圖:需要額外犧牲三個負電荷來中和界面態(tài)的正電本征態(tài)---2023/6/42023/6/4本征之后：EFi<EF，總有受主態(tài)得到電子，界面陷阱帶負電，C-V曲線右移，右移量隨柵壓不等1.2C-V特性界面陷阱的影響:反型狀態(tài)+++例圖:需要額外犧牲三個正電荷來中和界面態(tài)的負電,閾值電壓升高++++++___2023/6/41.2C-V特性需掌握內(nèi)容理想情況CV特性CV特性概念和CV特性測試原理MOS電容在不同半導(dǎo)體表面狀態(tài)下的特點和公式頻率特性高低頻情況圖形及解釋思考：若直流電壓變化快，CV曲線如何？非理想CV曲線氧化層電荷對CV特性影響界面態(tài)產(chǎn)生、分類及對CV特性影響2023/6/41.3

MOSFET原理

本節(jié)內(nèi)容MOSFET基本結(jié)構(gòu)電流電壓關(guān)系——概念電流電壓關(guān)系——推導(dǎo)跨導(dǎo)和溝道電導(dǎo)襯底偏置效應(yīng)2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET結(jié)構(gòu)4端器件：S：source提供載流子的終端D：drain收集載流子的終端G：gate,起控制（開關(guān)）作用B：body，襯底體區(qū)，襯底電極黑（灰）色部分可以理解為兩種材料界面或空間電荷區(qū)，一般書中不畫。MOSFET:

Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistor：電壓控制電流—>場效應(yīng)晶體管2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET結(jié)構(gòu)L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度絕緣柵場效應(yīng)晶體管（InsulatedGate,IGFET）：柵極與其它電極之間是相互絕緣的。金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分類(1)

n溝道MOSFET：NMOSp型襯底，n型溝道，電子導(dǎo)電VDS>0，使電子從源流到漏p溝道MOSFET：PMOSn型襯底，p型溝道，空穴導(dǎo)電VDS<0，使空穴從源流到漏2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分類(2)n溝道增強型MOSFET(E型：Enhancement)零柵壓時不存在反型溝道，VTN>0n溝道耗盡型MOSFET(D型：Delption)零柵壓時已存在反型溝道，VPN<02023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分類(3)

p溝道增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，VTP<0p溝道耗盡型MOSFET零柵壓時已存在反型溝道，VTP>0由于氧化層中正電荷及功函數(shù)差等關(guān)系，N型無論怎樣摻雜都不能做出耗盡管，這時需要摻些P型雜質(zhì)思考：氧化層中的正電荷對這四類管子閾值電壓的影響2023/6/41.3MOSFET原理MOSFET分類(4)按載流子類型分：

NMOS；PMOS:按導(dǎo)通類型分：增強型；耗盡型：四種MOS晶體管：N溝增強型；N溝耗盡型；P溝增強型；P溝耗盡型2023/6/41.3MOSFET原理

VGS的作用VT:剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓VGSvGS

越大，溝道載流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。2023/6/41.3MOSFET原理

VDS的作用VDS的作用： 形成溝道電流：NMOS(VDS>0)PMOS(VDS<0)對VGS起抵消作用：溝道從源到漏厚度漸場感應(yīng)結(jié)：n型溝道和P型襯底。VDS使溝道上壓降從源到漏增加，場感應(yīng)結(jié)反偏壓增加，耗盡層增厚，柵上電壓不變，反型層厚度漸2023/6/41.3MOSFET原理

IV特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性共源連接NMOSFET：輸入端：GS,輸出端：DS偏置特點2023/6/41.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(1)線性區(qū)2023/6/41.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(2)非飽和區(qū)2023/6/41.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(3)飽和點溝道夾斷點X：反型層電荷密度剛好近似=0VGX=VT,VXS=VDS(sat)2023/6/41.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(4)飽和區(qū)2023/6/41.3MOSFET原理轉(zhuǎn)移特性曲線n溝道MOSFETp溝道MOSFETVGSVGSVGS

越大，溝道載流子越多，在相同的漏源電壓VDS作用下，漏極電流ID越大。反型層形成后，因反型層在G和B間起屏蔽作用，即VGS變，電荷由S和D提供，非襯底。2023/6/41.3MOSFET原理輸出特性曲線四個區(qū)：（I）線性區(qū)：

VGS>VT,VDS<(VGS-VT),可變電阻區(qū)

（壓控電阻）。（II）飽和區(qū)：VGS>VT,VDS>(VGS-VT)，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。（IV）截止區(qū):VGS<VT。2023/6/41.3MOSFET原理輸出特性曲線簇n溝增強型n溝耗盡型P溝在第3象限，越負電流越大2023/6/41.3

MOSFET原理

需掌握內(nèi)容MOSFET基本結(jié)構(gòu)、種類、橫截面圖、符號圖MOSFET基本工作原理電流電壓關(guān)系——定性物理過程輸出特性曲線四個區(qū)的劃分轉(zhuǎn)移特性曲線三個區(qū)的劃分2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:結(jié)構(gòu)模型p型襯底、n型溝道MOSFET02023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:基本假設(shè)溝道中的電流是由漂移而非擴散產(chǎn)生的柵氧化層中無電流緩變溝道近似（長溝器件），即垂直于溝道方向上的電場變化遠大于平行于溝道方向上的電場變化，EX為常數(shù)氧化層中的所有電荷均可等效為Si-SiO2界面處的有效電荷密度QSS`溝道中的載流子遷移率與空間座標無關(guān)襯底與源極之間的電壓為零忽略SD區(qū)體電阻和金屬電極間的接觸電阻，VDS完全降在溝道上。2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:電中性條件2023/6/4高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介電常數(shù)某閉合表面沿閉合表面向外法線方向的電場強度該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量1.3MOSFET原理

I-V特性:表面電荷2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:氧化層電勢2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:反型層電荷與電場氧化層電勢半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝道方向的電場反型層單位面積的電荷2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:溝道電流電流密度電流強度漏源電流強度不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:溝道電流漏源電流強度2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)2023/6/41.3MOSFET原理

I-V特性:影響漏極電流Id的因素為增益因子，或稱幾何跨導(dǎo)參數(shù)影響漏極電流ID大小的因素（1）溝道的寬長比；（2）載流子（電子或空穴）的遷移率μ；（3）柵氧化層電容；（4）開啟電壓VT；（5）偏置VGS。提高器件ID驅(qū)動能力的途徑？2023/6/41.3MOSFET原理μ和VT的測試提取方法高場下遷移率隨電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強型2023/6/41.3MOSFET原理p溝增強型MOSFET的I-V特性注：VDS=-VSDVGS=-VSG,等2023/6/41.3MOSFET原理跨導(dǎo):模型跨導(dǎo)：VDS一定時，漏電流隨VGS變化率。反映了VGS

對ID

的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西(mS)。晶體管增益：是表征FET放大能力的重要參數(shù)。2023/6/41.3MOSFET原理跨導(dǎo):表達式VGS一定時，飽和區(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？2023/6/41.3MOSFET原理跨導(dǎo)影響因素Ⅰ.VGS較小：β與VGS無關(guān)，gms∝VGSⅡ.VGS較大：VGS↑=>表面散射↑=>μ↓=>β↓；gms隨VGS↑而↑變緩

Ⅲ.VGS為一較大值：β∝μ∝1/(VGS-VT),gms隨VGS↑達到最大IV.VGS很大：gms隨VGS↑而↓VGS↑=>表面散射↑=>μ↓=>β↓2023/6/41.3MOSFET原理

跨導(dǎo)影響因素:RS、RD的影響Rs對MOS管跨導(dǎo)影響Rs降低了跨導(dǎo)（晶體管增益），而且Rs越大，降低程度越大Rs=0,VGS`=VGS;Rs不等于0,VGS`=VGS-ID*RS;2023/6/41.3MOSFET原理跨導(dǎo):提高途徑材料參數(shù)設(shè)計參數(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VGS降低串聯(lián)電阻RS2023/6/41.3MOSFET原理（溝道電導(dǎo)）漏導(dǎo):模型溝道電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：VGS一定時，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）器件開關(guān)應(yīng)用時，一般工作在線性區(qū)。原因？2023/6/41.3MOSFET原理漏導(dǎo):影響因素RS，RD：SD電極間電阻增加，電導(dǎo)下降增加線性區(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)Rs=0,RD=0，VDS`=VDSRs,RD不等于0,VDS`=VDS-ID*(RS+RD)2023/6/41.3

MOSFET原理

需掌握內(nèi)容電流電壓關(guān)系—推導(dǎo)理解緩變溝道近似線性區(qū)和飽和區(qū)IV關(guān)系的推導(dǎo)跨導(dǎo)定義、公式和影響因素溝道電導(dǎo)定義、公式和影響因素2023/6/41.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(1)≥0必須反偏或零偏Vsb=Vs-Vb>0,即Vb更負（這樣才反偏）在溝道源端感應(yīng)出來的電子全跑掉了2023/6/42023/6/41.