尼曼-半導體物理與器件第十章

高等半導體物理與器件

第十章金屬-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)0A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)主要內(nèi)容雙端MOS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性MOSFET基本工作原理頻率限制特性小結(jié)1A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)10.1雙端MOS結(jié)構(gòu)MOSFET的核心為一個稱為MOS電容的金屬-氧化物-半導體結(jié)構(gòu)金屬可是鋁或其他金屬，更為通用的是多晶硅圖中tox是氧化層厚度，εox是氧化層介電常數(shù)基本MOS電容結(jié)構(gòu)2A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（1）能帶圖借助平行板電容器加以解釋加了負柵壓的p型襯底MOS電容器的電場，存在空穴堆積層加了負柵壓的p型襯底MOS電容器的能帶圖3A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)加了小的正柵壓的p型襯底MOS電容器的電場，產(chǎn)生空間電荷區(qū)加小正柵壓的p型襯底MOS電容器的能帶圖4A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)隨著正柵壓的增大，半導體與氧化物接觸的表面處能帶繼續(xù)彎曲，出現(xiàn)導帶距費米能級更近，呈現(xiàn)出n型半導體特點，從而產(chǎn)生了氧化物-半導體界面處的電子反型層。5A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)對于n型襯底MOS電容器正柵壓小負柵壓6A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)隨著負柵壓的增大，半導體與氧化物接觸的表面呈現(xiàn)出p型半導體特點，從而產(chǎn)生了氧化物-半導體界面處的空穴反型層。7A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（2）耗盡層厚度電勢

fp是EFi和EF之間的勢壘高度：表面勢

s是體內(nèi)EFi與表面EFi之間的勢壘高度，是橫跨空間電荷區(qū)的電勢差。因此，空間電荷區(qū)寬度可類似單邊pn結(jié)，寫為8A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)p型半導體在閾值反型點時的能帶圖表面處的電子濃度等于體內(nèi)的空穴濃度，該條件稱為閾值反型點，所加柵壓為閾值電壓。當外加柵壓大于這一值之后，其變化所引起的空間電荷區(qū)變化很小?？臻g電荷區(qū)最大寬度xdT為9A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)對于n型襯底MOS電容器電勢

fn同樣是EFi和EF之間的勢壘高度：10A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)電子反型電荷密度與表面電勢的關(guān)系（3）表面電荷濃度由第4章中可知，導帶中的電子濃度寫為p型半導體襯底，電子反型電荷濃度寫為其中，△

s是表面電勢超過2

fp的部分。則，電子反型電荷濃度可寫為其中，反型臨界點的表面電荷密度nst為11A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（4）功函數(shù)金屬-半導體功函數(shù)差定義為：12A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（5）平帶電壓定義：當半導體內(nèi)沒有能帶彎曲時所加的柵壓。此時凈空間電荷為零。前面的討論中假設氧化物中的凈電荷為零，而通常為正值的凈固定電荷可存在于氧化物中靠近氧化物-半導體界面。平帶電壓為單位面積電荷數(shù)單位面積的柵氧化層電容13A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（6）閾值電壓忽略反型層電荷，由電荷守恒原理，可得其中閾值電壓定義：達到閾值反型點時所需的柵壓。閾值反型點的定義：對于p型器件當

s＝2

fp時或?qū)τ趎型器件當

s＝2

fn時的器件狀態(tài)。閾值電壓可表示為：14A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)p型、n型MOS電容器柵壓比較：p型MOS電容器，負柵壓表明其為耗盡型器件；正偏柵壓將產(chǎn)生更多的反型層電荷電子。n型MOS電容器，負柵壓表明其為增強型器件；負偏柵壓將產(chǎn)生更多的反型層電荷空穴。15A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)10.2電容-電壓特性MOS電容結(jié)構(gòu)是MOSFET的核心器件的電容定義其中，dQ為板上電荷的微分變量，它是穿過電容的電壓dV的微分變量函數(shù)。16A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)堆積模式下柵壓微變時的微分電荷分布（1）理想C-V特性堆積模式下MOS電容器的單位電容C'，即柵氧化層電容MOS電容器在堆積模式時的能帶圖toxεox負柵壓假設柵氧化層中和氧化層-半導體界面處均無陷阱電荷。17A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)C'（耗盡層）隨空間電荷寬度的增大而減小柵氧化電容與耗盡層電容串聯(lián)，電壓微小變化將導致空間電荷寬度和電荷密度的微小變化?？傠娙轂镸OS電容在耗盡模式時的能帶圖耗盡模式當柵壓微變時的微分電荷分布εsεoxtox18A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)實線為理想MOS電容器的凈電容平帶由于達到閾值反型點時，空間電荷區(qū)寬度達到最大，此時強反型，理想情況，MOS電容電壓微小變化將導致反型層電荷微分變量發(fā)生變化，而空間電荷寬度不變。反型層電荷跟得上電容電壓變化，則總電容就是柵氧化電容p型襯底MOS電容低頻19A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)通過改變電壓坐標軸的符號，可得到n型襯底MOS電容器的理想C-V特性曲線。正偏壓時為堆積模式，負偏壓時為反型模式。n型襯底MOS電容器理想低頻電容和柵壓的函數(shù)關(guān)系圖20A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（2）頻率特性反型層中的電子濃度不能瞬間發(fā)生改變；高頻時，只有金屬和空間電荷區(qū)中的電荷發(fā)生改變，MOS電容器的電容就是前面所述的C'min。反型層電荷密度改變的電子來源：一是來自通過空間電荷區(qū)的p型襯底中的少子電子的的擴散，即反偏pn結(jié)中理想飽和電流的產(chǎn)生；二是在空間電荷區(qū)中由熱運動形成的電子-空穴對，即pn結(jié)中反偏產(chǎn)生電流。反型模式21A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)p型襯底MOS電容器低頻和高頻電容與柵壓的函數(shù)關(guān)系圖（3）固定柵氧化層和界面電荷效應前面討論的是理想情況下的C-V特性，實際上固定的柵氧化層電荷或氧化層-半導體界面的電荷會改變C-V特性曲線。22A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)不同有效氧化層陷阱電荷值下，p型MOS電容器高頻電容與柵壓的函數(shù)關(guān)系圖氧化層界面處表明界面態(tài)的示意圖23A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)當MOS電容器偏置時p型半導體中被表面態(tài)俘獲的電荷及其能帶圖。禁帶中央堆積模式反型模型24A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)MOS電容器的高頻C-V特性曲線，說明界面態(tài)效應25A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)10.3MOSFET基本工作原理MOS場效應晶體管的電路是由于反型層以及氧化層-半導體界面相鄰的溝道區(qū)中的電荷的流動形成。（1）MOSFET結(jié)構(gòu)MOSFET器件共有4種類型：n溝道增強型、p溝道增強型、n溝道耗盡型、p溝道耗盡型。增強的含義：氧化層下面的半導體襯底在零柵壓時不是反型的。耗盡：柵壓為零時氧化層下面已經(jīng)存在溝道區(qū)。26A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)n溝增強型n溝耗盡型Bp溝增強型p溝耗盡型27A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（2）電流-電壓關(guān)系——概念圖（a），此種偏置下，無電子反型層，漏-襯底pn結(jié)反偏，漏電流為零（忽略pn結(jié)漏電流）。圖（b）電子反型層產(chǎn)生，加一較小VDS，反型層電子從源流到漏，電流從漏到源；此理想情況，無電流從氧化層向柵流過。28A11章金屬-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（2）對于較小的VDS，溝道區(qū)具有電阻的特性式中，gd為VDS→0時的溝道電導。漏電壓漏電流單位面積的反型層電荷數(shù)量柵壓的函數(shù)基本MOS晶體管的工作機理為柵壓對溝道電導的調(diào)制作用，而溝道電導決定漏電流當VGS>VT時，溝道反型層電荷密度增大，從而增大溝道電導。gd↑溝道寬度溝道長度29A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)VGS>VT，VDS較小時，相對電荷密度在溝道長度方向上為一常數(shù)。隨著VDS增大，漏端附近的氧化層壓降減小，意味著漏端附近反型層電荷密度也將減小。30A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)VDS增大到漏端氧化層壓降為VT時，漏端反型電荷密度為0，此時漏端電導為0。VDS>VDS（sat）時，溝道反型電荷為0的點移向源端。在電荷為零的點處，電子被注入空間電荷區(qū)，并被電場掃向漏端。漏端氧化層壓降為VT時的VDS31A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)n溝道增強型MOSFET的ID-VDS特性曲線飽和區(qū)32A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)n溝道耗盡型MOSFET：一種情況n溝道是由金屬-半導體功函數(shù)差和固定氧化層電荷生成的電子反型層；另一種情況溝道是一個n型半導體區(qū)。負柵壓可在氧化層下產(chǎn)生一空間電荷區(qū)，從而減小n溝道區(qū)的厚度，進而gd減小，ID減小。正柵壓可產(chǎn)生一電子堆積層，從而增大ID。為使器件正常截止，溝道厚度必須小于最大空間電荷寬度33A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（4）跨導MOSFET的跨導gm（晶體管增益）：相對柵壓的漏電流的變化。MOSFET電路設計中，晶體管的尺寸，尤其是溝道寬度W是一個重要的工程設計參數(shù)。（5）襯底偏置效應前面討論的情況，襯底（體）都于源相連并接地。在MOSFET電路中，源和襯底不一定是相同電勢。源到襯底的pn結(jié)必須為零或反偏，以n型MOSFET為例，即VSB≥0。34A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)10.4頻率限制特性（1）小信號等效電路MOSFET被用于線性放大電路，用小信號等效電路進行分析，等效電路包括產(chǎn)生頻率效應的電容和電阻。漏-襯底pn結(jié)電容柵極電容，體現(xiàn)柵極與源、漏附近溝道電荷間的相互作用寄生或交疊電容和源、漏極相關(guān)的串聯(lián)電阻內(nèi)部柵源電壓，控制溝道電流35A-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)-氧化物-半導體場效應晶體管基礎(chǔ)（2）頻率限制因素與截止頻率MOSFET中有兩個基本的頻率限制因素。第一個因素為溝道輸運時間。另一個因素為柵電極或電容充電時間。共源n溝MOSFE