1、微電子技術專業(yè),半導體器件,單元四 場效應晶體管 小結 講授教師：馬 穎,第 7 章,半導體表面特性及MOS電容,7.1 半導體表面和界面結構 了解清潔表面和真實表面的特點 理解Si-SiO2界面的特點及影響因素 7.2 表面勢 掌握MIS結構的表面積累、耗盡和反型時表面勢與能帶特點 7.3 MOS結構的電容-電壓特性 掌握理想MOS的C公式 了解影響實際C-V特性曲線變化的因素 7.4 MOS結構的閾值電壓 掌握理想與實際閾值電壓的計算（含C、S、Wm、QSC）,一、半導體表面和界面結構,真實表面分為外表面和內表面，其中內表面屬于快態(tài)能級，外表面屬于慢態(tài)能級。 利用熱生長或化學汽相淀積人工生

2、長方法在Si面上生長SiO2層，可厚達幾千埃，形成硅-二氧化硅界面。 理想表面的特點：在中性懸掛鍵上有一個未成鍵的電子。懸掛鍵還有兩種可能的帶電狀態(tài)：釋放未成鍵的電子成為正電中心，這是施主態(tài)；接受第二個電子成為負電中心，這是受主態(tài)。它們對應的能級在禁帶之中，分別稱為施主和受主能級。 Si-SiO2界面的結構的應用：,MOS結構中的絕緣介質層、器件有源區(qū)之間場氧化隔離 選擇摻雜的掩蔽膜、鈍化保護膜等,可動離子（鈉離子，減小該離子沾污的工藝為磷穩(wěn)定化和氯中性化） 固定電荷（氧化層正電荷，固定電荷密度由最終氧化溫度決定，減小的方法是在惰性氣體中退火） 界面陷阱，又稱界面態(tài)（中性懸掛鍵引起，界面態(tài)的能

3、級分布？減小方法有氫氣退火和金屬后退火工藝） 電離陷阱（由輻射、高溫高負偏置應力引起的附加氧化層電荷的增加，去除和減小的方法是熱退火和加固）,一、半導體表面和界面結構,二氧化硅層中，存在著嚴重影響器件性能的因素主要有哪些？,二、表面勢,表面勢的概念,空間電荷區(qū)表面到內部另一端，電場從最大逐漸減弱到零，其各點電勢也要發(fā)生變化，這樣表面相對體內就產生電勢差，并伴隨能帶彎曲，常稱空間電荷區(qū)兩端的電勢差為表面勢S。,MIS結構加正向電壓時，金屬側積累正電荷，半導體表面一層便形成空間負電荷區(qū)。此時，表面勢S是正的，表面電場由外界指向半導體，表面的能帶向下彎曲，此時，表面與體內達到了熱平衡，具有共同的費米

4、能級；空間電荷區(qū)中的負電荷恰好與金屬中的正電荷相等。,二、表面勢,MIS結構加反向電壓時，金屬側積累正電荷，半導體表面一層便形成空間正電荷區(qū)。此時，表面勢S是負的，表面電場由半導體指向外界，表面的能帶向上彎曲。,三、MOS結構的電容-電壓特性,理想MOS電容的特點：,金屬-半導體功函數(shù)差為零； 氧化層及界面電荷為零； 界面態(tài)為零； 半導體體內電阻為零； 氧化層完全不導電。 能帶應是平的； 半導體表面處S=0。 理想MOS電容實際就是由一個氧化層電容COX和一個半導體中空間電荷區(qū)電容CS的串聯(lián)結構組成的。,真空介電常數(shù)0=8.851012F/m； SiO2的氧化層相對介電系數(shù)OX為3.9 硅的相

5、對介電常數(shù)S為11.9 鍺的相對介電常數(shù)S為16,三、MOS結構的電容-電壓特性,影響實際MOS的C-V特性曲線的因素有哪些？,氧化層內正電荷總是使C-V曲線產生左移影響。 金屬-半導體功函數(shù)MS使C-V曲線產生左移影響。 摻雜濃度提高，高頻反型電容會大大增加。 氧化層厚度增加會使高頻反型電容升高。 溫度對反型偏置電容有中等敏感度（溫度上升電容變大），其他區(qū)域則基本上不隨溫度變化。,四、MOS結構的閾值電壓,掌握理想與實際閾值電壓的計算（含C、S、Wm、QSC）,由P型半導體構成的實際MOS結構,由N型半導體構成的實際MOS結構,第 8 章,MOS場效應晶體管的特性,8.1 MOSFET的結構

6、和分類 MOSFET與雙極型晶體管的優(yōu)缺點對比 掌握場效應晶體管的分類 MOS四種類型及各自特點、MOSFET的特征 8.2 MOSFET的特性曲線（2種曲線及分區(qū)） 8.3 MOSFET的閾值電壓（略） 8.4 MOSFET的伏安特性（略） 8.5 MOSFET的頻率特性 掌握跨導與最高振蕩頻率含義及公式 8.6 MOSFET的開關特性 掌握反相器的分類、了解CMOS的工作原理 8.7 閾值電壓的控制和調整（掌握計算）,一、MOSFET的結構和分類,簡述雙極型晶體管的工作原理 簡述場效應晶體管的工作原理,由一個P-N結注入非平衡少數(shù)載流子，并由另一個P-N結收集而工作的。在這類晶體管中，參加

7、導電的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。,場效應晶體管（FET）：利用改變垂直于導電溝道的電場強度來控制溝道的導電能力而工作的。在場效應晶體管中，工作電流是由半導體中的多數(shù)載流子所輸運的，因此也稱為單極型晶體管。,一、MOSFET的結構和分類,MOSFET相比雙極型晶體管的優(yōu)點,（1）輸入阻抗高； （2）噪聲系數(shù)??； （3）功耗??； （4）溫度穩(wěn)定性好； （5）抗輻射能力強。,MOSFET相比雙極型晶體管的缺點,（1）工藝潔凈要求較高； （2）場效應管的速度比雙極型晶體管的速度來得低。,一、MOSFET的結構和分類,場效應晶體管的分類,第一類：表面場效應管，絕緣柵場效應管（

8、IGFET） 第二類：結型場效應管（JFET） 第三類：薄膜場效應晶體管（TFT),MOSFET 絕緣柵型,增強型 沒有原始溝道,耗盡型 有原始溝道,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,MOSFET的類型,加上一個正的柵壓才能形成N型溝道,加上一個負的柵壓才能形成P型溝道,加上一個負的柵壓才能使N溝道消失,加上一個正的柵壓才能使P溝道消失,一、MOSFET的結構和分類,MOSFET的特征是什么？,1雙邊對稱：在電學性質上源和漏是可以相互交換的。 2單極性：MOS管中參與導電的只有一種載流子（多子）。 3高輸入阻抗：MOSFET的直流輸入阻抗可以大于1014歐。 4電壓控制：由輸入電壓VGS控制輸出

9、電流ID。且輸入功率非常低有較高的扇出能力。 5自隔離：一個MOS晶體管的漏，由于背靠背二極管的作用，自然地與其他晶體管的漏或源隔離。,二、MOSFET的特征曲線,MOSFET電壓極性關系,二、MOSFET的特征曲線,通過MOSFET的漏源電流與加在漏源極間的電壓之間的關系曲線即為輸出特性曲線。這時加在柵極上的電壓作為參變量。如圖示，該圖為什么MOSFET的輸出特性曲線？其中區(qū)為可調電阻區(qū)、 區(qū)為飽和工作區(qū)、 區(qū)為雪崩擊穿區(qū)。圖中的區(qū)溝道是否夾斷？有何特點？,在可調電阻區(qū)，溝道未夾斷，VDS使溝道中各點的電位不同，從源端到漏端溝道的厚度變小。此時的溝道區(qū)呈現(xiàn)電阻特性，電流IDS與VDS基本上是

10、線性關系。而且，VGS越大，溝道電阻越小。,MOSFET的臨界夾斷狀態(tài)的電壓條件為： 飽和工作區(qū)特點：溝道夾斷點從漏端向源端移動，漏源電流基本上達到飽和值IDSS。 當MOS晶體管工作在飽和區(qū)時，將工作電流IDSS與輸入電壓VGS之間的關系曲線稱為轉移特性曲線。,二、MOSFET的特征曲線,VGS-VDS=VT,左圖為什么MOSFET的轉移特性曲線？,二、MOSFET的特征曲線,溝道長度調變效應,在飽和工作區(qū)中，當溝道長度L不滿足遠大于夾斷區(qū)段長度(短溝道)時， VDS增大，溝道長度將減小， IDSS將隨之增加，漏源飽和電流隨溝道長度的減小而增大的效應稱為溝道長度調變效應。它與雙極型晶體管中的

11、基區(qū)寬度調變效應相當。,漏源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機理決定：,漏極電壓VDS增大時，漏結耗盡區(qū)增大，使溝道有效長度縮短。當溝道表面漏結耗盡區(qū)的寬度LS擴展到等于溝道長度L時，漏結耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏源之間的直接穿通。,漏區(qū)與襯底之間P-N結的雪崩擊穿； 漏和源之間的穿通。,三、MOSFET的頻率特性,跨導gm表征在漏源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化的程度，標志了MOSFET的電壓放大本領。單位：西門子（S）。 線性工作區(qū)：跨導與VDS成正比 飽和工作區(qū)：在不考慮溝道長度調制效應的情況下，跨導與VDS無關。 提高跨導的方法,（1）改進管子的結構提

12、高： 增大溝道的寬長比； 減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容； 減小溝道載流子的濃度以提高溝道內載流子的遷移率。 （2）在飽和區(qū)時，可通過適當增加VGS來提高跨導。,三、MOSFET的頻率特性,NMOSFET最高振蕩頻率 PMOSFET最高振蕩頻率 減小溝道長度可以有效提高最高振蕩頻率,四、MOSFET的開關特性,倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負載兩部分組成。 反相管通常用N溝增強管。 E/R反相器為無源負載即用電阻作負載。 有源負載又可分為多種不同的MOSFET，常見有 E/E反相器（用N溝增強管作負載） CMOS反相器（用P溝增強管作負載） E/D反相器（用N溝耗盡管作

13、負載）。,四、MOSFET的開關特性,CMOS結構 CMOS倒相器的特點,在同一N型襯底上同時制造P溝MOS管（負載管）和N溝MOS管（倒相管），N溝MOS管制作在P阱內。,在導通和截止兩種狀態(tài)時，始終只有一個管子導通，只有很小的漏電流通過，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關時間短。,四、MOSFET的開關特性,CMOS倒相器的工作原理,當輸入脈沖為零(低電平)時 CMOS倒相器處于截止狀態(tài)。 倒相管NMOS增強型管的VGS=0，處于截止狀態(tài)。 負載管PMOS增強型管的VGS0 , 處于充分導通的狀態(tài)。 負載管PMOS的VGS0，處于故處于截止狀態(tài)。 這時，輸出電壓VD0，為低電平。,五、閾

14、值電壓VT的控制和調整,調整和控制閾值電壓的方法,在半導體近表面處注入精確控制的相對較少的硼或磷離子。硼注入會導致閾值電壓正漂移，磷注入會導致閾值電壓負漂移。 通過改變氧化層厚度來控制VT。氧化層厚度增加，N溝道MOSFET的閾值電壓會變大，而P溝道MOSFET的閾值電壓將變小。 選擇適當?shù)臇艠O材料來調整功函數(shù)差從而控制VT。,五、閾值電壓VT的控制和調整,通過半導體表面處注入離子來調整和控制閾值電壓的計算,注入硼離子造成的平帶電壓漂移類似于固定正電荷，其量為： ，F(xiàn)B為注入的硼劑量，所以閾值電壓由VT增加到VT,注入磷離子造成的平帶電壓漂移量為：,第 9 章,MOS功率場效應晶體管,9.1 用作功率放大和開關的MOS功率場效應晶體管（略） 9.2 MOS功率場效應晶體管的結構（分類） 9.3 DMOS晶體管的擊穿電壓（略） 9.4 DMOS晶體管的二次擊穿（略） 9.5 溫度對MOS晶體管特性的影響（略）,MOS功率FET的結構,MOS功率FET具有兩種基本結構：二維結構和三維結構。 二維橫向器件與常規(guī)的MOS晶體管基本相似，只是多一個延伸的高電阻漏區(qū)，這種結構特點有助于提高器件的高壓性能。 在三維器件中，則具有一個縱向的延伸漏區(qū)，通常稱之為漂移區(qū)，漏電極位于片子的底部。這