半導(dǎo)體器件物理-孟慶巨課件

第五章MOS場效應(yīng)晶體管

1半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨主要內(nèi)容一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)二、MOSFET的工作原理三、MOSFET的直流特性曲線四、MOSFET的種類五、MOSFET的電容與頻率特性六、MOSFET的技術(shù)發(fā)展2半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨

場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor)是一種電壓控制器件，用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件，僅由一種載流子參與導(dǎo)電。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。3半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨

從場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有三大類。

1.結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransistor)

2.金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MESFET

(MetalSemiconductorFieldEffectTransistor)

3.金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor

）4半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨隨著集成電路設(shè)計和制造技術(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，尤其是微處理機和存儲器方面，MOS集成電路幾乎占據(jù)了絕對的位置。此外，MOS在一些特種器件，如CCD（電荷耦合器件）和敏感器件方面應(yīng)用廣泛。5半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨促進MOS晶體管發(fā)展主要有以下四大技術(shù)：(a)半導(dǎo)體表面的穩(wěn)定化技術(shù)(b)各種柵絕緣膜的實用化(c)自對準結(jié)構(gòu)MOS工藝(d)閾值電壓的控制技術(shù)6半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)1、MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)7半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨D(zhuǎn)(Drain)為漏極，相當c；G(Gate)為柵極，相當b；

S(Source)為源極，相當e。B(substrate),襯底極。通常接地，有時為了控制電流或由于電路結(jié)構(gòu)的需要，在襯底和源之間也加一個小偏壓(VBS)。MOS場效應(yīng)晶體管是四端器件。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。目前絕大部分芯片生產(chǎn)廠家是采用“硅柵”工藝。8半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨對NMOS晶體管，源和漏是用濃度很高的N＋雜質(zhì)擴散而成。在源、漏之間是受柵電壓控制的溝道區(qū)，溝道區(qū)長度為L，寬度為W。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，電流方向由漏端流向源端。9半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨2、MIS結(jié)構(gòu)（1）表面空間電荷層和反型層表面空間電荷層和反型層實際上屬于半導(dǎo)體表面的感生電荷。MIS結(jié)構(gòu)上加電壓后產(chǎn)生感生電荷的四種情況。

10半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨以P半導(dǎo)體的MIS結(jié)構(gòu)為例。當柵上加負電壓，所產(chǎn)生的感生電荷是被吸引到表面的多子（空穴），在半導(dǎo)體表面形成積累層。當柵上加正電壓，電場的作用使多數(shù)載流子被排斥而遠離表面，從而在表面形成由電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)，形成耗盡層。此時，雖然有少子（電子）被吸引到表面，但數(shù)量很少。這一階段，電壓的增加只是使更多的空穴被排斥走，負空間電荷區(qū)加寬。隨著正電壓的加大,負電荷區(qū)逐漸加寬，同時被吸引到表面的電子也隨著增加。當電壓達到某一“閾值”時，吸引到表面的電子濃度迅速增大，在表面形成一個電子導(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。11半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨（2）形成反型層的條件當VG較小時，表面處的能帶只是略微向下彎曲，使表面費米能級EF更接近本征費米能級Ei，空穴濃度減少，電子濃度增加，但與電離受主的空間電荷相比仍較少，可忽略。12半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨VG繼續(xù)增大，使表面費米能級EF與本征費米能級Ei時，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，電子濃度仍舊很低，并不起顯著的導(dǎo)電作用。13半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨當表面勢達到費米勢的兩倍，表面電子的濃度正好與體內(nèi)多子空穴的濃度相同，稱為“強反型”。此時，柵極電壓VG稱為閾值電壓VT。14半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨VG繼續(xù)增大，耗盡層電荷QB和表面勢Vs＝VF基本不再變化，只有反型層載流子電荷隨電壓VG增加而增加。對于表面反型層中的電子，一邊是絕緣層，一邊是導(dǎo)帶彎曲形成的一個陡坡（空間電荷區(qū)電場形成的勢壘），因此，反型層通常又稱溝道。

P型半導(dǎo)體的表面反型層由電子構(gòu)成，稱為N溝道。同理N型半導(dǎo)體的表面反型層由空穴構(gòu)成，稱為P溝道。15半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨（3）發(fā)生強反型時，能帶向下彎曲2qVF，即表面勢達到費米勢的兩倍：施加在柵電極上的電壓VG為閾值電壓VT：式中QB為強反型時表面區(qū)的耗盡層電荷密度，Cox為MIS結(jié)構(gòu)中一絕緣層為電介質(zhì)的電容器上的單位面積的電容：16半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨三、MOSFET的直流特性1、閾值電壓平帶電壓VFB

在實際的MOS結(jié)構(gòu)中，柵氧化層中往往存在電荷（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和費米能級之差），因此，當VG＝0時半導(dǎo)體表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲。為使能帶平直，需加一定的外加柵壓去補償上述兩種因素的影響，這個外加柵壓值稱為平帶電壓，記為VFB17半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨閾值電壓18半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨MOSFET的放大作用：由于反型層電荷強烈地依賴于柵壓，可利用柵壓控制溝道電流，實現(xiàn)放大作用。當MOSFET溝道中有電流流過時，沿溝道方向會產(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、能帶連同其費米能級沿y方向均隨著電壓的變化發(fā)生傾斜。2、MOSFET的電流－電壓關(guān)系19半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用

當VGS＞VT，且固定為某一值時，分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響,見右圖。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。靠近源端處PN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，靠漏斷處的溝道截面積最小。漏源電壓VDS對溝道的影響20半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨當VDS為0或較小時，溝道分布如右圖，此時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IDS隨VDS幾乎是線性增加的。（1）線性區(qū)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，使ID隨VDS變化趨勢減慢，偏離直線關(guān)系。21半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨（2）飽和區(qū)當VDS增加到使漏端溝道截面積減小到零時，稱為溝道“夾斷”。溝道夾斷后，若VDS再增加，增加的漏壓主要降落在夾斷點到漏之間的高阻區(qū)，此時，漏電流基本不隨漏電壓增加，因此稱為飽和區(qū)。出現(xiàn)夾斷時的VDS稱為飽和電壓VDSat，與之對應(yīng)的電流為飽和漏電流IDSat。22半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨當然，隨著VDS的增大，夾斷點逐步向源端移動，有效溝道長度將會變小，其結(jié)果將使IDS略有增加，這是溝道長度調(diào)制效應(yīng)。（3）擊穿區(qū)飽和區(qū)后，VDS繼續(xù)增大到一定程度時，晶體管將進入擊穿區(qū)，在該區(qū)，隨VDS的增加IDS迅速增大，直至引起漏－襯底PN結(jié)擊穿。23半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨（4）亞閾區(qū)當柵壓低于閾值電壓時，在實際的MOSFET中，由于半導(dǎo)體表面弱反型，漏電流并不為零，而是按指數(shù)規(guī)律隨柵壓變化，通常稱此電流為亞閾值電流，主要由載流子（電子）的擴散引起。24半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨3、襯底偏置效應(yīng)VBS≠0，襯底加偏壓后對MOSFET的特性將有一系列的影響。加襯偏電壓后，即使VDS＝0，溝道也處于非平衡狀態(tài)，由于表面空間電荷區(qū)的寬度隨著襯底偏置電壓的增大而展寬，會有更多的空穴被耗盡，使表面空間電荷區(qū)的面密度也隨之而增大。因而要在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生同樣數(shù)量的導(dǎo)電電子，必須加比平衡態(tài)更大的柵源電壓，閾值電壓也就隨偏置電壓的增大而增大。由于反型層電荷減少，溝道電導(dǎo)下降，襯底偏置將使IDS下降。25半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨4、MOSFET的直流特性曲線（1）MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線反映了柵對漏源溝道電流的調(diào)控情況轉(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作用。gm也稱為跨導(dǎo)跨導(dǎo)的定義式如下:

gm=

ID/

VGS

VDS=const26半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨（2）MOSFET的輸出特性曲線27半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨四、MOS場效應(yīng)晶體管的種類若柵電壓為零時不存在導(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（常閉）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)載流子耗盡的器件成為耗盡（常開）型MOSFET。N溝增強型、耗盡型

P溝增強型、耗盡型28半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨1、n溝和p溝按溝道載流子的類型來劃分nMOSFET：電子導(dǎo)電pMOSFET：空穴導(dǎo)電2、增強與耗盡VGS=0，VDS、VBS一定值時

MOSFET導(dǎo)通，ID≠0，耗盡型

MOSFET不導(dǎo)通，ID=0，增強型29半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨30半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨五、MOSFET的電容和頻率特性反型層或溝道的反型電荷Qi溝道下面的耗盡區(qū)體電荷QB柵極電荷QG（QG＝Qi＋QB）由漏－襯底、源－襯底PN結(jié)引起的電荷MOSFET的瞬態(tài)特性是由器件的電容效應(yīng)，即器件中的電荷存儲效應(yīng)引起的。MOSFET中的存儲電荷主要包括：根據(jù)其特性，可以將這些電荷分成本征部分和非本征部分。31半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨32半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨在交流高頻情況下，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間。此外，載流子渡越溝道也需要一定的時間，這些延遲時間決定MOSFET存在使用頻率的限制。33半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨截止頻率fT截止頻率定義為輸入電流與交流短路輸出電流相等時對應(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電流源gmvgs的頻率定義為的截止頻率，由此得到ωTCgsvgs=gmsvgs→ωT=gm/Cgs→fT=gms/(2πCgs)漏極電流對柵極信號電壓的響應(yīng)是通過載流子在溝道中的輸運實現(xiàn)的，載流子從源到漏的運動需要一定時間、因而柵極加了外來信號，漏極并不立即產(chǎn)生輸出，延遲決定了截止頻率fT。34半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨六、MOSFET的技術(shù)發(fā)展35半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨TheIdealMOSTransistorv襯底的變化v柵的變化v溝道的變化v源漏的變化v工作機制的36半導(dǎo)體器件物理_孟慶巨襯底的變化SOI技術(shù)是指先形成一種“單晶硅薄膜-絕緣層-襯底材料”的結(jié)構(gòu)，然后采用平面工藝在與襯底絕緣的單晶硅