金属-氧化物-半导体场效应管_精品文档.ppt

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1,Chap6金属氧化物半导体场效应管,2,概述,MOSFET：

MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，是超大规模集成电路的主流器件。

图6-1：

MOSFET的透视图栅极：

铝、多晶硅（poly）等绝缘层：

sio2图中尺寸的表示：

沟道长度、氧化层厚度、器件宽度,3,概述,源极和衬底、漏极和衬底形成两个PN结。

工作原理：

在栅极加上足够大的电压，在栅极下方的半导体表面上会形成反型层，从而将漏极和源极连接，形成导电沟道。

N沟道和P沟道MOSFET只有一种载流子导电，是单极器件,4,概述,导电沟道的电导受控于栅极电压，所以漏极电流的大小不仅受漏电压的控制，还受到栅电压的控制，这是MOSFET晶体管的工作基本原理。

MOSFET是利用半导体的表面效应制成的器件器件的工作原理与表面现象和性质密切相关。

5,6.1理想MOS结构的表面空间电荷区,理想MOS结构和实际MOS结构图6-2：

MOS电容器的基本结构和能带图理想MOS结构基于以下假设：

（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。

（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。

6,功函数：

真空能级到费米能级的能量间隔，即阻止电子逃逸的势垒。

第二个条件表明金属和半导体表面的势能相等。

前两个条件表明：

若没有外加电压，半导体的能带从表面到内部都是平的。

6.1理想MOS结构的表明空间电荷区,7,（3）sio2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。

因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。

6.1理想MOS结构的表明空间电荷区,8,6.1.1半导体表面空间电荷区,当在电容器两端加上电压后，就会在MOS电容器的两个极板金属和半导体上产生感应电荷。

电量相同，极性相反，分别为QM和QS。

由于金属中的自由载流子浓度远大于半导体，因此在半导体中形成一个相当厚的电荷层。

空间电荷区的电场从半导体表面到内部逐渐减弱。

9,6.1.1半导体表面空间电荷区,根据电磁场的边界条件，每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系：

为自由空间的电容率，为氧化物的相对介电常数，为半导体表面的电场，为半导体相对介电常数，为氧化层中的电场。

10,6.1.1半导体表面空间电荷区,空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体之间产生一个电位差。

半导体表面电势，被称为表面势。

图6-3，加上电压后MOS结构内的电位分布。

11,6.1.1半导体表面空间电荷区,为空间电荷区在半导体内部的边界，亦即空间电荷区宽度。

外加电压为跨越氧化层的电压和表面势所分摊：

12,6.1.1半导体表面空间电荷区,13,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,空间电荷区的电势差改变了空间电荷区的能带图。

根据外加电压VG的极性和大小，在半导体表明有可能实现三种不同的载流子分布情况：

载流子积累、载流子耗尽和载流子反型。

14,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,1、载流子积累紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。

以P型半导体为例，金属电极加负电压，半导体表面电势为负，表面能带向上弯曲,15,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,由热平衡载流子密度（1-7-28和1-7-29）如图6-4（a）在半导体表面形成空穴积累。

16,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,17,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,2、载流子耗尽金属电极加正电压，半导体表面电势为正，表面能带向下弯曲，造成表面多数载流子空穴的耗尽，少子电子的数目有所增加。

单位面积下的总电荷为：

式中为耗尽层宽度。

18,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,由泊松方程可以得到如下的关系，类似于NP单边突变结,19,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,20,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,3、载流子反型在耗尽基础上进一步增加偏压，使能带进一步向下弯曲，在半导体表面，出现少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流子空穴的浓度低于本征载流子浓度的现象，即表面的半导体由P型变成了N型，称为反型层，这种现象称为载流子反型。

21,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,如图6-4（c）所示。

在xI的右边区域仍然为P型，半导体表面感应出PN结。

当撤销外加电压后，反型层消失，PN结也消失。

这种PN结称为物理PN结。

22,6.1.2载流子的积累、耗尽和反型,23,6.1.3反型和强反型条件,反型的特点：

半导体表面少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度即因此反型条件为即半导体表面电势等于半导体体内的费米势,24,6.1.3反型和强反型条件,强反型的特点：

半导体表面少数载流子电子浓度高于热平衡时的多数载流子浓度即因此反型条件为为出现强反型时的表面电势。

25,6.1.3反型和强反型条件,出现强反型后，继续增加偏压VG，导带电子在很薄的强反型层中迅速增加，屏蔽了外电场。

空间电荷区的势垒高度、表面势、固定的受主电荷，以及空间电荷区的宽度，都基本不变。

反型层又称为导电沟道，是MOS场效应晶体管工作的物理基础。

26,6.1.3反型和强反型条件,27,6.1.3反型和强反型条件,由公式6-1-16，发生强反型时的感应PN结耗尽层厚度为由公式6-1-15，总的表面空间电荷为,28,6.1.3反型和强反型条件,为反型层中单位面积下的可动电荷，又称为沟道电荷。

对于P型半导体，就是反型层中单位面积的电子电荷，是外加电压VG的函数（公式6-1-9和6-1-2），在MOSFET中是传导电流的载流子。

29,6.2理想MOS电容器,MOS系统具有一定的电容效应，因此把它叫做MOS电容器。

但QM并不正比于VG，因此需要讨论微分电容。

系统单位面积的微分电容,30,6.2理想MOS电容器,微分电容C与外加偏压VG的关系称为MOS系统的电容电压特性。

令,31,6.2理想MOS电容器,则有其中为绝缘层单位面积上的电容，为半导体表面空间电荷区单位面积电容。

两者串联构成MOS电容C。

称为归一化电容。

32,6.2理想MOS电容器,绝缘层电容为常数，不随外加电压变化：

因此求MOS系统的电容电压特性关键是求CS随VG变化的规律。

将电容随电压的变化分成几个区域，大致情况如图6-7所示。

33,6.2理想MOS电容器,34,6.2理想MOS电容器,

（1）积累区（VG0）造成表面多子的大量积累。

稍有变化，就会引起QS的很大变化，即CS较大，与CO串连后可以忽略不计。

随着VG趋向0，表面空穴积累变小，CS变小，总电容也变小。

35,6.2理想MOS电容器,

（2）平带情况（VG0）最后求得的半导体表面电容为其中LD为德拜长度，标志着为了屏蔽外电场而形成的空间电荷区厚度。

36,6.2理想MOS电容器,在完全电离的情况下有归一化平带电容为与氧化层厚度和衬底净掺杂浓度有关结论：

x0越大，电容越大；NA越大，电容越大（图6-8）。

37,6.2理想MOS电容器,（3）耗尽区（VG0）由下列两个公式得到电容,38,6.2理想MOS电容器,耗尽层厚度随电压上升而加厚，CS下降。

归一化电容随着外加偏压的增加而减小。

如图6-7和6-9所示。

39,6.2理想MOS电容器,（4）反型区（VG0）出现反型后的电容与电压变化频率有很大关系，如图6-9所示。

在积累区和耗尽区，QS的变化主要由多子空穴的流动引起，变化的快慢由衬底的介电弛豫时间决定，一般较短。

即只要外界电压的变化频率电容C就与频率无关。

40,6.2理想MOS电容器,出现反型后，少子浓度不能被忽略，表面电荷由两部分组成：

反型层中的电子电荷QI，耗尽层中的受主电荷QB表面电容CS为,41,6.2理想MOS电容器,先考虑QI的积累过程，有两个来源：

来自于衬底，很少；来自于耗尽区的电子空穴对产生，与载流子寿命有关（一般较长）同样，当MOS上的电压减小时，反型层中的电子要减少，少子数目的减少主要依赖于电子和空穴在耗尽层的复合来实现。

42,6.2理想MOS电容器,

（1）高频电压电压的变化太快，使得QI来不及变化,43,6.2理想MOS电容器,随着VG的增加，耗尽层厚度增加，电容下降。

随着VG增加而形成强反型时，反型层中的电子电荷不断增加，xd不再增加，MOS电容达到最小值。

如图6-7中的虚线。

44,6.2理想MOS电容器,

（2）低频电压此时载流子寿命与信号频率变化相当，反型层中的电子电荷变化屏蔽了信号电场,QI的变化对电容贡献较大，而耗尽层宽度和电荷基本不变。

形成反型后，QI随电压的变化很快，CS很大。

如图6-7。

45,6.2理想MOS电容器,总结：

MOS系统电容特性1。

由两个电容CO和CS串联。

较小的电容起主要作用。

2、C-V特性积累区、平带情况、耗尽区、反型区、C-V特性随信号频率的变化。

46,6.3沟道电导与阈值电压,一、沟道电导反型层在源和漏之间形成了一条导电通道，称为沟道。

沟道电导为式中为沟道中的电子浓度。

为沟道宽度。

47,6.3沟道电导与阈值电压,即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为,48,6.3沟道电导与阈值电压,二、阈值电压：

定义为形成强反型所需要的最小栅电压。

当出现强反型时,49,6.3沟道电导与阈值电压,沟道感应电荷QI受到VG的控制，只有当VGVTH时，才会有QI。

这是MOSFET工作的基础-场效应。

阈值电压：

50,6.3沟道电导与阈值电压,第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。

51,6.4实际MOS的电容电压特性,6.4.1功函数的影响功函数的定义：

把一个电子从费米能级移动到真空能级上所需要做的功。

实际系统中，铝的功函数比P型硅要小，因此前者的费米能级要高。

从电子的运动趋势可得，当VG=0时，半导体的表面势,52,6.4.1功函数的影响,表面势的存在使得在半导体表面，能带向下弯曲。

要消除功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一个负电压，称为平带电压。

53,6.4.1功函数的影响,54,6.4.1功函数的影响,在一般情况下，外加电压VG的一部分VG1用来使能带拉平，剩下的一部分VG-VG1起到理想MOS系统的VG的作用。

对于半导体的空间电荷以及MOS的C-V特性而言，VG-VG1起着有效电压的作用。

55,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,氧化层电荷和Si-SiO2界面陷阱（包括四种电荷）：

界面陷阱电荷、氧化物固定电荷、氧化物陷阱电荷、可移动离子电荷。

56,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,57,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,

（1）界面陷阱电荷（interfacetrappedcharge）

（2）氧化物固定电荷（fixedoxidecharge）（3）氧化物陷阱电荷（oxidetrappedcharge）大都可以通过低温退火消除。

58,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,（4）可动离子电荷（mobileioniccharge）诸如钠离子和其它碱金属离子，在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动。

59,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,忽略功函数的影响。

由于上述四种非理想陷阱及电荷的影响，在VG=0的情况下，会在氧化层中积累一定的正电荷。

取金属氧化物截面为横坐标0点，假设在x处的薄层中有单位面积正电荷Q0。

假设在金属表面上感应出的负电荷为QM，在半导体表面上感应出的负电荷为QS,60,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,且有关系QM+QS=Q0此时半导体表面的能带向下弯曲，为拉平能带，需要在金属电极上加一个负电压VG2，使QM=Q0，QS=0。

61,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,因此绝缘层中正电荷对平带电压的影响与它们的位置有关，离金属电极越近，对平带电压的影响越小。

如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为，则,62,6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响,总的平带