半導(dǎo)體器件第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極采用PN結(jié)結(jié)構(gòu)柵極采用MOS結(jié)構(gòu)——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管——絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管4.2.1理想MOS結(jié)構(gòu)

金屬—氧化物—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成MOS管。MOS結(jié)構(gòu)是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)控制的核心部分。金屬層引出的電極稱(chēng)為柵極，柵電壓的正負(fù)是相對(duì)硅襯底電壓而言的。理想MOS管平衡態(tài)的能帶圖1、理想MOS結(jié)構(gòu)的特征(1)零偏條件下，金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)差為0，即功函數(shù)：費(fèi)米能級(jí)與真空能級(jí)之間的能量差理想情況下，平衡態(tài)時(shí)MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖沒(méi)有發(fā)生彎曲。金屬的功函數(shù)表示為電子由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。功函數(shù)的大小標(biāo)志著電子在金屬中束縛的強(qiáng)弱，功函數(shù)越大，電子越不容易離開(kāi)金屬。（2）在任何直流偏置下，絕緣層內(nèi)無(wú)電荷且絕緣層，完全不導(dǎo)電。（3）絕緣層與半導(dǎo)體界面不存在任何界面態(tài)。2、理想MOS結(jié)構(gòu)在非平衡態(tài)時(shí)的能帶圖VG<0時(shí)，理想MOS管的能帶圖VG<0時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)上移qVG。—界面兩側(cè)費(fèi)米能級(jí)不再統(tǒng)一，費(fèi)米能級(jí)的差值會(huì)引起界面處能帶發(fā)生彎曲。能帶彎曲的方向與費(fèi)米能級(jí)變化的方向相同。在半導(dǎo)體與氧化物的界面處（即，能帶發(fā)生彎曲的區(qū)域），費(fèi)米能級(jí)更靠近價(jià)帶，意味著該區(qū)域空穴濃度更高。界面處出現(xiàn)了多數(shù)載流子的積累。從MOS管電容理論，理解多數(shù)載流子的積累將MOS結(jié)構(gòu)看成平板電容，負(fù)的柵壓會(huì)將半導(dǎo)體表面的電子推向體內(nèi)，同時(shí)把半導(dǎo)體體內(nèi)的空穴吸引到表面區(qū)域，p型硅襯底表面（硅襯底與絕緣層界面處）的空穴濃度高于體內(nèi)，出現(xiàn)載流子的積累。VG>0時(shí)，理想MOS管的能帶圖VG>0時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)下降qVG。能帶彎曲的方向與費(fèi)米能級(jí)變化的方向相同。半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲。在半導(dǎo)體與氧化物的界面處（即，能帶發(fā)生彎曲的區(qū)域），費(fèi)米能級(jí)更遠(yuǎn)離價(jià)帶，意味著該區(qū)域空穴濃度降低。界面處出現(xiàn)了多數(shù)載流子的耗盡。+VG>>0時(shí)，理想MOS管的能帶圖VG>>0時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)進(jìn)一步下降。半導(dǎo)體表面能帶進(jìn)一步向下彎曲。柵壓增大到一定值時(shí)，半導(dǎo)體表面處費(fèi)米能級(jí)高于本征費(fèi)米能級(jí)。表面處電子濃度超過(guò)空穴濃度。此時(shí)半導(dǎo)體表面出現(xiàn)“反型”。若反型層內(nèi)電子濃度較低，稱(chēng)為“弱反型”；若反型層內(nèi)電子濃度等于體內(nèi)多子濃度時(shí)，稱(chēng)為“臨界強(qiáng)反型”。通常認(rèn)為，半導(dǎo)體表面在臨界強(qiáng)反型時(shí)才具有導(dǎo)電能力。++從MOS管電容理論，理解半導(dǎo)體表面的反型正的柵壓會(huì)將半導(dǎo)體表面的空穴推向體內(nèi)，同時(shí)把半導(dǎo)體體內(nèi)的電子吸引到表面區(qū)域，p型硅襯底表面（硅襯底與絕緣層界面處）的電子濃度升高，出現(xiàn)反型。P表面電子濃度升高到與體內(nèi)多子濃度相當(dāng)時(shí)，為臨界強(qiáng)反型。此時(shí)，半導(dǎo)體表面形成導(dǎo)電溝道，溝道中電子為多子，因此稱(chēng)為n溝道。3、理想n型襯底上MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖（a）平衡態(tài)（b）表面積累+（c）表面耗盡（d）表面反型———4、表面勢(shì)表面勢(shì)是用于表征半導(dǎo)體表面能帶彎曲程度的參數(shù)。對(duì)于p型半導(dǎo)體：若Φs<0，則能帶向上彎，

ps>p0,表面空穴積累；若Φs>0，則能帶向下彎，表面耗盡或反型；（耗盡：表面仍為p型，ps<p0,

反型：表面為n型。）反型時(shí)能帶彎曲程度大于耗盡費(fèi)米勢(shì)：本征費(fèi)米能級(jí)與體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)之差。若0<Φs<Φf，表面空穴耗盡；若Φs>Φf，半導(dǎo)體表面本征費(fèi)米能級(jí)彎曲至費(fèi)米能級(jí)之下，

表面反型；若Φs=2Φf，ns=p0，半導(dǎo)體表面進(jìn)入臨界強(qiáng)反型狀態(tài)，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電能力。5、MOS管性能的描述——電容-電壓特性4.2.2MOSFET結(jié)構(gòu)及其工作原理源漏柵柵氧場(chǎng)氧柵長(zhǎng)1、柵壓對(duì)源-漏電流開(kāi)關(guān)的控制當(dāng)柵極不加電壓時(shí)，無(wú)論S-D之間加什么極性的電壓，均被反偏PN結(jié)隔離，源漏之間無(wú)電流，處于關(guān)態(tài)；若要源漏導(dǎo)通，則需要在源漏之間形成一個(gè)導(dǎo)電通道：對(duì)于源漏為n型，需要形成n型導(dǎo)電通道，即柵極加正向偏壓。VG>0，但較小，靠近絕緣層的半導(dǎo)體表面處于耗盡狀態(tài)。源漏之間仍然不導(dǎo)通。VG增大到一定值時(shí)，半導(dǎo)體表面開(kāi)始反型，絕緣柵下出現(xiàn)電子層。當(dāng)柵壓增大到足以使半導(dǎo)體表面臨界強(qiáng)反型時(shí)，反型層內(nèi)電子濃度足夠大，形成導(dǎo)電能力較強(qiáng)的n型導(dǎo)電溝道，此時(shí)，導(dǎo)電溝道將n型源漏連接起來(lái)，源漏處于開(kāi)態(tài)。若處于弱反型狀態(tài)，n型溝道的導(dǎo)電能力較差，源漏之間仍處于關(guān)態(tài)；閾值電壓半導(dǎo)體表面發(fā)生臨界強(qiáng)反型時(shí)所加的柵極電壓VG稱(chēng)為MOSFET的閾值電壓，用VT表示。溝道開(kāi)啟以后，若繼續(xù)增大VG，溝道中電子濃度按指數(shù)規(guī)律增加，溝道的導(dǎo)電能力迅速增大，在源漏電壓不變的情況下，源漏之間的電流迅速增大。轉(zhuǎn)移特性固定源漏電壓VSD，源漏電流ID隨VG的變化關(guān)系，稱(chēng)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。輸出特性VGS>VT為參量，源漏電流ID隨VDS的變化關(guān)系，稱(chēng)為MOSFET的輸出特性。VDS很小時(shí)（<<VGS),反型溝道類(lèi)似線(xiàn)性電阻，ID與VDS呈線(xiàn)性關(guān)系(0A段),溝道電阻為0A直線(xiàn)的斜率。++SD輸出特性VDS增大，柵與源之間電勢(shì)差不變，但柵與漏之間電勢(shì)差減小，靠近漏極的溝道厚度減薄，溝道電阻增大，ID隨VDS增加變慢，輸出特性曲線(xiàn)斜率變小，如AB段。++SD輸出特性VDS增大到某一定值時(shí)（VDsat），漏端的溝道消失，稱(chēng)為漏端溝道夾斷。夾斷出現(xiàn)后，溝道中出現(xiàn)高阻的耗盡區(qū)。VDS增加的部分幾乎都加在耗盡區(qū)（溝道上的壓降幾乎不變），所以ID出現(xiàn)飽和。VDsat為源漏飽和電壓。++SD輸出特性進(jìn)一步增大VDS，夾斷區(qū)向源端擴(kuò)展，溝道中耗盡區(qū)的長(zhǎng)度增加。隨著VDS的增大，耗盡區(qū)中電場(chǎng)增大，引起雪崩擊穿。此時(shí)，ID急劇增大，發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的源漏電壓稱(chēng)為MOSFET的擊穿電壓，用BVDS表示。輸出特性VDS>VT的條件下，越大，反型溝道中的載流子濃度越高，對(duì)應(yīng)的源漏電流ID越大。輸出特性轉(zhuǎn)移特性閾值電壓源漏飽和電壓源漏擊穿電壓4.2.3影響MOSFET閾值電壓的因素1、對(duì)閾值電壓的理解臨界強(qiáng)反型：反型層中的電子濃度與半導(dǎo)體體內(nèi)多子濃度相等。即Φs=2Φf，半導(dǎo)體表面進(jìn)入臨界強(qiáng)反型狀態(tài)。當(dāng)表面電子濃度與體內(nèi)多子濃度相等時(shí)：Ei（體內(nèi)）-EFs=EFs-Ei（表面）2、理想MOSFET的閾值電壓半導(dǎo)體耗盡層上的分壓：這部分電壓引起半導(dǎo)體表面能帶彎曲。絕緣層上的分壓：這部分電壓不能引起半導(dǎo)體表面能帶彎曲。柵氧層的性質(zhì)（氧化層的介電常數(shù)、厚度、面積等）會(huì)影響閾值電壓的大小。襯底的性質(zhì)（摻雜濃度、本征載流子濃度）會(huì)影響閾值電壓的大??；3、金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MOSFET閾值電壓的影響實(shí)際情況下，金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體功函數(shù)會(huì)存在一定的差值。實(shí)際情況下，在平衡態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面能帶已經(jīng)發(fā)生了彎曲。實(shí)際情況下，在平衡態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體表面能帶偏離了理想情況。通過(guò)外加電壓，恢復(fù)成理想情況——能帶無(wú)彎曲（平帶）。使能帶恢復(fù)為平帶的外加電壓稱(chēng)為平帶電壓。平帶電壓的大小等于金屬半導(dǎo)體的功函數(shù)差4、氧化層及界面電荷對(duì)MOSFET閾值電壓的影響氧化層及界面電荷的存在會(huì)使半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電場(chǎng)，能帶發(fā)生彎曲，偏離理想情況。需要施加平帶電壓，恢復(fù)成能帶無(wú)彎曲的情況。這種情況下，平帶電壓的大小與絕緣層中電荷數(shù)相關(guān)。影響MOSFET閾值電壓的因素主要有：1、半導(dǎo)體襯底性質(zhì)——摻雜濃度NA、本征載流子濃度ni；綜上MOSFET閾值電壓的表達(dá)式：2、絕緣層電容大小——絕緣層介電常數(shù)、厚度、面積；3、金屬半導(dǎo)體的功函數(shù)差；4、絕緣層中電荷數(shù)量。5、MOSFET的分類(lèi)n溝道、p溝道——導(dǎo)電溝道類(lèi)型增強(qiáng)型、耗盡型——柵壓為0時(shí)，源漏是否導(dǎo)通4.2.4MOSFET的電流-電壓關(guān)系柵寬柵長(zhǎng)載流子的遷移率絕緣層電容非飽和區(qū)：飽和區(qū)：進(jìn)入飽和區(qū)后，電流幾乎不再受源漏電壓的影響，在VGS一定值時(shí)，漏極電流保持恒定。該電流值等于B點(diǎn)的電流值.B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的源漏電壓即為源漏飽和電壓：源漏飽和電壓飽和區(qū)：輸出特性曲線(xiàn)上，VDS=VGS-VT的曲線(xiàn)為臨界飽和線(xiàn)。非飽和區(qū)：飽和區(qū)：跨導(dǎo)跨導(dǎo)的大小反應(yīng)柵壓對(duì)漏極電流的控制能力。跨導(dǎo)越大，控制能力越強(qiáng)。4.2.6MOSFET的擊穿1、柵介質(zhì)的可靠性與柵介質(zhì)的擊穿當(dāng)柵壓過(guò)大時(shí)，柵介質(zhì)會(huì)發(fā)生擊穿。若柵介質(zhì)發(fā)生擊穿，半導(dǎo)體表面的載流子會(huì)發(fā)生泄露，導(dǎo)電溝道消失。（a）三角形勢(shì)壘遂穿（b）直接遂穿在大電場(chǎng)或大電流的作用下，柵介質(zhì)中缺陷密度增加，形成導(dǎo)電通道，柵介質(zhì)完全擊穿。2、源漏擊穿隨著源漏電壓的增大，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)夾斷。電壓繼續(xù)增大，耗盡區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)，引起雪崩擊穿，ID急劇增大。在曲率半徑大的區(qū)域，電場(chǎng)最強(qiáng)，該區(qū)域最容易發(fā)生雪崩擊穿。4.2.10MOSFET的等比例縮小MOSFET器件與電路參數(shù)乘積因子器件參數(shù)按比例縮小的衍生結(jié)果柵長(zhǎng)L1/α柵寬W、絕緣層厚度tox1/α摻雜濃度NA、NDα結(jié)深xj1/α電路參數(shù)按比例縮小的衍生結(jié)果耗盡層電容1/α電路延遲時(shí)間（τ=RC）1/α單位電路的功耗1/α2閾值電壓1/α電路密度α2第四章重點(diǎn)1、理想MOS管的能帶結(jié)構(gòu)平衡態(tài)非平衡態(tài)——外加電壓能夠根據(jù)非平衡態(tài)時(shí)能帶結(jié)構(gòu)，判斷出半導(dǎo)體表面的狀態(tài)：積累、耗盡、反型（弱反型、臨界強(qiáng)反型）2、表面勢(shì)理解表面勢(shì)的含義：表征能帶彎曲程度結(jié)合能帶圖，分析表面勢(shì)不同取值時(shí)，能帶彎曲的情況，進(jìn)而判斷MOS管半導(dǎo)體表面狀態(tài)。3、MOSFET的工作原理轉(zhuǎn)移特性增強(qiáng)型n溝道MOSFET1、為什么柵極電壓要達(dá)到一定值時(shí)，源漏才有電流流過(guò)？2、源漏開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)，MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面處于哪種狀態(tài)？輸出特性源漏飽和電壓VDsat漏端溝道夾斷轉(zhuǎn)移特性4、MOSFET的閾值電壓閾值電壓影響閾值電壓的因素：非理想MOS的能帶圖實(shí)際MOS管在平衡態(tài)時(shí)半導(dǎo)體側(cè)能帶會(huì)發(fā)生彎曲，這與理想MOS管在平衡態(tài)時(shí)的能帶有一定的區(qū)別，引起實(shí)際情況與理想情況出現(xiàn)偏差的原因？（2個(gè)原因）1、金屬半導(dǎo)體的功函數(shù)差；2、絕緣層中電荷數(shù)量。5、MOSFET的類(lèi)型1V1、已知一MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如下圖，若柵極電壓VGS為4V，源漏飽和電壓值為？-1V2、已知一MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如下圖，若柵極電壓VGS為-4V，源漏飽和電壓值為？5、MOSFET的電流電壓關(guān)系輸