4.2MOSFET

的閾電壓

定義：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為閾電壓（或

開啟電壓），記為

VT

。

定義：當硅表面處的少子濃度達到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時，稱為表面發(fā)生了

強反型

。

在推導閾電壓的表達式時可近似地采用一維分析，即認為襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內(nèi)的空間電荷完全由柵極電壓產(chǎn)生的縱向電場所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的橫向電場無關(guān)。

4.2.1MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓

本小節(jié)推導

P

型襯底

MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓。

上圖中，1、理想

MOS

結(jié)構(gòu)（金屬與半導體間的功函數(shù)差

MS=0，柵氧化層中的電荷面密度

QOX

=0）當

VG

=0

時的能帶圖稱為

P

型襯底的費米勢。

上圖中，

S稱為

表面勢，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的電勢差，等于能帶彎曲量除以q。2、實際

MOS

結(jié)構(gòu)（

MS

<0，QOX>0）當

VG

=

0

時的能帶圖3、實際

MOS

結(jié)構(gòu)當

VG=

VFB

時的能帶圖當時，可以使能帶恢復為平帶狀態(tài)，這時

S=0，硅表面呈電中性。VFB

稱為

平帶電壓。COX

代表單位面積的柵氧化層電容，，TOX

代表柵氧化層厚度。4、實際

MOS

結(jié)構(gòu)當

VG

=

VT

時的能帶圖要使表面發(fā)生強反型，應使表面處的

EF

-

EiS

=

q

FP

，這時能帶總的彎曲量是

2q

FP

，表面勢為

S

=

S,inv

=

2

FP

。

外加柵電壓超過

VFB

的部分（VG

-VFB）稱為

有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的

VOX與降在硅表面附近的表面電勢

S

，即

VG–VFB

=

VOX+

S

表面勢

S使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎曲量是

2q

FP

，表面勢為

2

FP

，于是可得

VT–VFB

=

VOX+2

FP

VT

=

VFB+VOX+2

FP

上式中，QM和

QS分別代表金屬一側(cè)的電荷面密度和半導體一側(cè)的電荷面密度，而

QS

又是耗盡層電荷QA

與反型層電荷

Qn之和。-QAQM-QnCOX-QSP可得

MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓為

再將和上式代入

VT

=

VFB+VOX+2

FP

中，關(guān)于

QA

的進一步推導在以后進行。

作為近似，在強反型剛開始時，可以忽略

Qn。QA

是

S

的函數(shù)，在開始強反型時，QA(

S

)=

QA(

2

FP

)，故得

1、閾電壓一般表達式的導出MOSFET

與

MOS

結(jié)構(gòu)的不同之處是：

a)柵與襯底之間的外加電壓由

VG

變?yōu)?VG-VB)，因此有效柵電壓由(VG-VFB)變?yōu)?VG-VB-

VFB)。

b)有反向電壓(VS

-VB

)加在源、漏及反型層的

PN

結(jié)上，使強反型開始時的表面勢

S,inv

由

2

FP

變?yōu)?

2

FP+

VS-VB)。

4.2.2MOSFET

的閾電壓

以下推導

QA

的表達式。對于均勻摻雜的襯底，

式中，，稱為

體因子。

因此

MOSFET

的閾電壓一般表達式為

于是可得

N

溝道

MOSFET

的閾電壓為

注意上式中，通常

VS

>0，VB<0。當

VS

=0，VB

=0

時，

這與前面得到的

MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓表達式相同。稱為N

型襯底的費米勢。

同理，P

溝道

MOSFET

當

VS=0，VB=0時的閾電壓為式中，

FN

與

FP

可以統(tǒng)一寫為

FB，代表

襯底費米勢。

2、影響閾電壓的因素

當

VS

=0，VB

=0

時，N

溝道與

P

溝道

MOSFET

的閾電壓可統(tǒng)一寫為a)柵氧化層厚度

TOX

一般來說，當

TOX

減薄時，|VT

|是減小的。

早期

MOSFET

的

TOX的典型值約為

150

nm

，目前高性能MOSFET

的

TOX可達

10

nm

以下。1015

cm-3時，約為

0.3

V。b)襯底費米勢

FB

FB

與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當摻雜濃度為

MS與金屬種類、半導體導電類型及摻雜濃度有關(guān)。對于Al~Si系統(tǒng)，c)功函數(shù)差

MS-0.6V～-1.0V(N溝)-0.6V～-0.2V(P溝)（見圖

4-15）

當

N

=

1015

cm-3

時，-0.9V(N溝)-0.3V(P溝)

MS=

MS=d)耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度

QAD

由于

FB

與摻雜濃度

N

的關(guān)系不大，故可近似地得到e)柵氧化層中的電荷面密度

QOX

調(diào)整閾電壓主要是通過改變摻雜濃度

N（例如離子注入）和改變柵氧化層厚度

TOX來實現(xiàn)。~QOX與制造工藝及晶向有關(guān)。MOSFET一般采用（100）晶面，并在工藝中注意盡量減小

QOX的引入。在一般工藝條件下，當

TOX

=150

nm

時，

對于

N

溝道

MOSFET，

3、襯底偏置效應（體效應）

襯底偏置效應：VT

隨

VBS

的變化而變化。

當

VS

=0

時，可將源極作為電位參考點，這時

VG

=

VGS

、VD

=

VDS、VB=

VBS。

對于

P

溝道

MOSFET，

可見，當|VBS|增大時，N

溝道

MOSFET

的閾電壓向正方向變化，而

P

溝道

MOSFET

的閾電壓向負方向變化。

由于，所以

TOX

越厚、N

越高，襯底偏置效應就越嚴重。

4、離子注入對閾電壓的調(diào)整