1、2022-2-25.半導體物理與器件半導體物理與器件XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 張麗張麗第第1111章章 MOSFET MOSFET基礎基礎1.2 C-V1.2 C-V特性特性1.3MOS1.3MOS管原理管原理2022-2-25.1.2 C-V特性特性 本節(jié)內容本節(jié)內容n理想理想MOS電容的電容的CV特性特性n氧化層電荷對氧化層電荷對CV特性影響特性影響n界面態(tài)概念及對界面態(tài)概念及對CV特性影響特性影響2022-2-25.1.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性特性MOS電容電容C=dQ/dV=Cox與與Cs的串聯的串聯dVdQ

2、C 器件電容定義器件電容定義:相當于金屬電容與半導體電容串聯相當于金屬電容與半導體電容串聯電阻越串越大，電容越串越小電阻越串越大，電容越串越小2022-2-25.1.2 C-V特性特性 理想理想MMOSOS電容電容C-VC-V特性特性電容電容-電壓特性測試曲線電壓特性測試曲線直流電壓：決定器件工作點，調整大小使直流電壓：決定器件工作點，調整大小使MOS先后處于堆積、平帶、先后處于堆積、平帶、耗盡、本征、反型幾種狀態(tài)耗盡、本征、反型幾種狀態(tài)交流電壓：幅值比較小，不改變交流電壓：幅值比較小，不改變S的狀態(tài)的狀態(tài)測量電源：測量電源：MOS外加柵壓，在直流電壓上疊加一交流小信號電壓。外加柵壓，在直流電

3、壓上疊加一交流小信號電壓。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)加直流負柵壓，堆積層電荷能夠跟得上交流小加直流負柵壓，堆積層電荷能夠跟得上交流小信號柵壓的變化。信號柵壓的變化。直觀：相當于柵介質平板電容直觀：相當于柵介質平板電容公式：面電荷密度隨表面勢指數增加。公式：面電荷密度隨表面勢指數增加。oxoxoxtCC)acc( 2022-2-25.1.2 C-V特性特性 平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)所加負柵壓正好等于平帶電壓所加負柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導體表，使半導體表面能帶無彎曲面能帶無彎曲asoxoxoxoxFBeNekTttC2022-2-25.1.2 C-V特性特性 耗

4、盡狀態(tài)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，出現耗盡層電容壓的變化而變化，出現耗盡層電容CSD)dep( CxVdGC相當與相當與Cox與與Csd串聯串聯2022-2-25.1.2 C-V特性特性 強反型狀態(tài)強反型狀態(tài)CV特性測量直流偏壓加交流信號，特性測量直流偏壓加交流信號，VG變化，半導體表面電荷變化，半導體表面電荷變化由誰來貢獻？變化由誰來貢獻？與交流信號的頻率有關。與交流信號的頻率有關。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 反型層電荷來源反型層電荷來源2022-2-25 反型層電荷來源：（熱運動產生的少子）反型

5、層電荷來源：（熱運動產生的少子）1 1、P P襯少子電子通過耗盡層到反型層（擴散襯少子電子通過耗盡層到反型層（擴散+ +漂移）漂移）2 2、耗盡層中熱運動產生電子空穴對，電子漂移到反型層。、耗盡層中熱運動產生電子空穴對，電子漂移到反型層。熱運動：電子從價帶激發(fā)到導帶，產生自由電子和空穴，熱運動：電子從價帶激發(fā)到導帶，產生自由電子和空穴， （電子熱運動掙脫共價鍵束縛的過程）（電子熱運動掙脫共價鍵束縛的過程）半導體始終存在熱運動過程，不斷有電子空穴對的產生和復合。半導體始終存在熱運動過程，不斷有電子空穴對的產生和復合。柵壓正向變化對應電子產生過程，負向變化對應電子復合過程柵壓正向變化對應電子產生過

6、程，負向變化對應電子復合過程;少子的產生復合過程需要時間少子的產生復合過程需要時間 。反型層電荷是否跟得上信號變化與信號頻率相關：反型層電荷是否跟得上信號變化與信號頻率相關：2022-2-25.1.2 C-V特性特性 強反型狀態(tài)強反型狀態(tài)( (低頻低頻) )oxoxoxtCC)inv( 加大的正直流柵壓：半導體表面強反型狀態(tài)加大的正直流柵壓：半導體表面強反型狀態(tài)交流柵壓變化較慢：反型層電荷跟得上柵壓的變化交流柵壓變化較慢：反型層電荷跟得上柵壓的變化直觀：直觀：相當于柵介質平板電容相當于柵介質平板電容公式：面電荷密度隨表面勢指數增加。公式：面電荷密度隨表面勢指數增加。中反型：近似認為中反型：近似

7、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)只改變耗盡層電荷到只改變反型層電荷之間的過渡區(qū)2022-2-25.1.2 C-V特性特性 反型狀態(tài)反型狀態(tài)( (高頻高頻) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( Hz1005fMHz1f加較大的直流正柵壓：加較大的直流正柵壓：半導體表面強反型狀態(tài)半導體表面強反型狀態(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，只有耗盡層電荷對耗盡層電荷對C有貢獻?？傠娙?？有貢獻?？傠娙?？交流小信號：交流小信號：耗盡層寬度乃至耗盡層電容隨柵壓變化微弱。耗盡層寬度乃至耗盡層電容隨柵壓變化微弱

8、?？傠娙葜担靠傠娙葜?？2022-2-25.1.2 C-V特性特性 n n型與型與p p型的比較型的比較p型襯底型襯底MOS結構結構n型襯底型襯底MOS結構結構2022-2-25.1.2 C-V特性特性 氧化層電荷的影響氧化層電荷的影響曲線左移，反之右移VCVQFBss- - - - - + 例圖例圖:因為因為Qss均為正電荷均為正電荷,需要額外犧牲負電荷來中和需要額外犧牲負電荷來中和界面的正電界面的正電asoxoxoxoxFBeNekTttCQss使得使得S表面處于任狀態(tài)時與無表面處于任狀態(tài)時與無Qss相比相比VG都左移，都左移，Qss不是柵壓的函數，柵壓改變不影響不是柵壓的函數，柵壓改變不影

9、響Qss大小，移量相等。大小，移量相等。2022-2-25.1.2 C-V特性特性 界面陷阱的分類界面陷阱的分類被電子占據（在被電子占據（在EFS之下）帶負電，不被電子占據（在之下）帶負電，不被電子占據（在EFS之上）為中性之上）為中性被電子占據（在被電子占據（在EFS之下）為中性，不被電子占據（在之下）為中性，不被電子占據（在EFS之上）帶正電之上）帶正電（界面陷阱）（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子帶負電受主態(tài)容易接受電子帶負電正常情況熱平衡不帶電正常情況熱平衡不帶電施主態(tài)容易放出電子帶正電施主態(tài)容易放出電子帶正電界面電荷是柵壓的函數：柵壓會改變界面電荷是柵壓的函數：柵壓會改變S S表面的表面

10、的E EF F相對位置相對位置2022-2-25.2022-2-251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影響界面陷阱的影響: :本征本征本征態(tài)本征態(tài)本征態(tài)：界面電荷不帶電，本征態(tài)：界面電荷不帶電，對對C-VC-V曲線無影響曲線無影響禁帶中央：禁帶中央：CV曲線實虛線重和曲線實虛線重和2022-2-25.2022-2-251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影響界面陷阱的影響: :本征前本征前本征之前：本征之前：EFiEF，總有施主態(tài)在總有施主態(tài)在EFSEFS之之上，施主態(tài)上，施主態(tài)失去電子界面陷阱帶正電。失去電子界面陷阱帶正電。正施主態(tài)數量是柵壓的函數。正施主態(tài)數量是柵壓的函數。C-V曲線左移，左

11、移量隨柵壓不等曲線左移，左移量隨柵壓不等- - - - - -+ 例圖例圖:需要額外犧牲三個負電荷需要額外犧牲三個負電荷來中和界面態(tài)的正電來中和界面態(tài)的正電本征態(tài)本征態(tài)- - - 2022-2-25.2022-2-25本征之后：本征之后： EFi場效應晶體管場效應晶體管2022-2-25.1.3MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET結構結構L ：溝道長度：溝道長度W ：溝道寬度：溝道寬度tox ：絕緣層厚度：絕緣層厚度 絕緣柵場效應晶體管（絕緣柵場效應晶體管（Insulated Gate, IGFET）：）： 柵極與其它電極之間是相互絕緣的。柵極與其它電極之間是相互絕緣的。 金屬金屬-

12、絕緣體絕緣體-半導體場效應晶體管半導體場效應晶體管(MISFET)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(1)(1) n溝道溝道MOSFET：NMOSp型襯底，型襯底，n型溝道，電子導電型溝道，電子導電VDS0，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道MOSFET：PMOSn型襯底，型襯底，p型溝道，空穴導電型溝道，空穴導電VDS0n溝道溝道耗盡型耗盡型MOSFET(D型：型：Delption)零柵壓時已存在反型溝道，零柵壓時已存在反型溝道，VPN02022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(3)(3) p

13、溝道溝道增強型增強型MOSFET零柵壓時不存在反型溝道，零柵壓時不存在反型溝道，VTP0由于氧化層中正電荷及功函由于氧化層中正電荷及功函數差等關系，數差等關系，N型無論怎樣摻型無論怎樣摻雜都不能做出耗盡管，這時雜都不能做出耗盡管，這時需要摻些需要摻些P型雜質型雜質思考：氧化層中的正電荷對思考：氧化層中的正電荷對這四類管子閾值電壓的影響這四類管子閾值電壓的影響2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分類分類(4)(4)n按載流子類型分：按載流子類型分： NMOS；PMOS: n按導通類型分：按導通類型分： 增強型；耗盡型：增強型；耗盡型：n四種四種MOS晶體管：

14、晶體管： N溝增強型；溝增強型；N溝耗盡型；溝耗盡型；P溝增強型；溝增強型；P溝耗盡型溝耗盡型2022-2-25.1.3MOSFET原理原理 VGS的作用的作用開表面強反型，溝道開啟0I:DGSTVV關閉表面非強反型，溝道關0I:DGSTVV）放大（溝道開啟條件下DGSIVVT:剛剛產生溝道所需的柵源電壓剛剛產生溝道所需的柵源電壓VGSvGS 越大，溝道載流子越多越大，溝道載流子越多,在相同的在相同的vDS作用下，作用下，ID越大。越大。2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 V VDSDS的作的作用用VDS的作用：的作用：n形成溝道電流：形成溝道電流：NMOS(VDS0)PMOS(

15、VDSVT, VDSVT, VDS(VGS-VT) ，恒流區(qū)（壓控電流源）。恒流區(qū)（壓控電流源）。 （III）擊穿區(qū)：反向偏置的漏襯結雪崩倍增而擊穿。）擊穿區(qū)：反向偏置的漏襯結雪崩倍增而擊穿。（IV）截止區(qū)）截止區(qū): VGS線性區(qū)跨導線性區(qū)跨導器件放大應用，一般工作在飽和區(qū)。原因？器件放大應用，一般工作在飽和區(qū)。原因？2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨導影響因素跨導影響因素無關與飽和區(qū)（DSTGSTGSoxnmssatDSDSVVVVVLCWgVV)()( .VGS較?。狠^?。号c與VGS無關，無關，gms VGS .VGS較大：較大：VGS=表面散射表面散射=；gms隨隨VG

16、S而而變緩變緩 .V.VGSGS為一較大值：為一較大值： 1/(V 1/(VGSGS-V-VT T), g), gmsms隨隨V VGSGS達到最大達到最大 IV.V IV.VGSGS很大：很大： g gmsms隨隨V VGSGS而而VGS=表面散射表面散射=mg2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨導影響因素跨導影響因素:R:RS S、R RD D的影響的影響 Rs對對MOS管跨導影響管跨導影響Rs降低了跨導（晶體管增益），而且降低了跨導（晶體管增益），而且Rs越大，降低程度越大越大，降低程度越大Rs=0,VGS=VGS;Rs不等于不等于0,VGS=VGS-ID*RS;2022

17、-2-25.1.3 MOSFET原理原理 跨導跨導: :提高途徑提高途徑oxpnoxsmtLWQoxpnLtWg表面平整度），111（）100優(yōu)選晶面（)(溝溝：優(yōu)優(yōu)選材料體表面材料參數材料參數設計參數設計參數工藝參數工藝參數在工作電壓范圍內，適當提高器件偏置電壓在工作電壓范圍內，適當提高器件偏置電壓VGS降低串聯電阻降低串聯電阻RS2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 （溝道電導）漏導（溝道電導）漏導: :模型模型常數GSVDSDdVIg無關與非飽和區(qū)（含線性區(qū)，DSGSTGSoxndLDSDSTGSoxnDsatDSDSVVVVLCWgVVVVLCWIVV)()(22)02)(

18、趨于無關與飽和區(qū)（dsDSdsTGSoxnDsatDSDSrVgVVLCWIVV, 0)()2)(溝道電導（漏導）：溝道電導（漏導）：VGS一定時，漏電流隨漏源電壓的變化率一定時，漏電流隨漏源電壓的變化率表明線性區(qū)導通能力（導通電阻）表明線性區(qū)導通能力（導通電阻）器件開關應用時，一般工作在線性區(qū)。原因？器件開關應用時，一般工作在線性區(qū)。原因？）（）（導通電阻：TGSOXTGSVVWCLVVR1on2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 漏導漏導: :影響因素影響因素RS，RD：SD電極間電阻增加，電導下降電極間電阻增加，電導下降無關與非飽和區(qū)（含線性區(qū)，DSGSTGSoxndLsat

19、DSDSVVVVLCWgVV)()0)(? )(1)()(effdDsmddDDsDSDSDsgRRgggIRRVVRR的影響增加線性區(qū)溝道電導的途徑？增加線性區(qū)溝道電導的途徑？非飽和區(qū)漏導等于飽和區(qū)跨導非飽和區(qū)漏導等于飽和區(qū)跨導)()(TGSoxnmssatDSDSVVLCWgVV飽和區(qū)（Rs=0, RD=0，VDS=VDSRs, RD不等于不等于0,VDS=VDS-ID*(RS+RD)2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 需掌握需掌握內內容容n電流電壓關系電流電壓關系推導推導n理解緩變溝道近似理解緩變溝道近似n線性區(qū)和飽和區(qū)線性區(qū)和飽和區(qū)IV關系的推導關系的推導n跨導定義、公式

20、和影響因素跨導定義、公式和影響因素n溝道電導定義、公式和影響因素溝道電導定義、公式和影響因素)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，當2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(1)(1)0必須反偏或必須反偏或零偏零偏Vsb=Vs-Vb0,即即Vb更負（這樣才反偏）更負（這樣才反偏）在溝道源端感應出來的電子全跑掉了在溝道源端感應出來的電子全跑掉了2022-2-25.2022-2-251.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(2)(2)VSB0源區(qū)電勢能源區(qū)電勢能=-e(VD+VSB)VSB=0源區(qū)電勢

21、能源區(qū)電勢能=-eVD源襯結能帶圖：襯底源襯結能帶圖：襯底0勢能參考點勢能參考點反型時，反型時，V VDSDS=0=0，反型層溝道連接源漏，溝道和源區(qū)電子勢能近似相等，反型層溝道連接源漏，溝道和源區(qū)電子勢能近似相等V VSBSB=0=0時，半導體時，半導體s近似等于源襯結內建電勢差近似等于源襯結內建電勢差V VD DV VSBSB 0 0時，半導體時，半導體s近似等于近似等于V VD D+V+VSBSB2022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(2)(2)2(220(max)fpasSDfpsSBNeQV)2(220(max)SBfpasSDSBfpsSBVNeQVV襯底偏壓襯底偏壓反型條件反型條件耗盡層電荷耗盡層電荷VSB0，源區(qū)電勢能源區(qū)電勢能=-e（VD+VSB)DfpV22022-2-25.1.3 MOSFET原理原理 襯底偏置效應襯底偏置效應(4)(4)負的耗盡層電荷更多負的耗盡層電荷更多VSB的存在使閾值電壓增加，的存在使閾值電壓增加，且且VSB越大，越大，VT越大越大msf