复旦课件-半导体器件-L03-MOSFET的基本特性.ppt

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半导体器件原理半导体器件原理主讲人：

蒋玉龙主讲人：

蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email:

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/10.14.3.1211第三章MOSFET的基本特性3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性23.1.1MOSFET简介3.1MOSFET的结构和工作原理1Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor33.1.1MOSFET简介MOSFETvsBJTMOSFETBJT电场调节作用（EID）少子注入扩散收集多子作用（多子器件）少子作用（少子器件）一种载流子（单极）两种载流子（双极）输入阻抗高（MOS绝缘体109）输入阻抗低（pn结正偏，共射k）电压控制器件电流控制器件噪声低，抗辐射能力强少子Nit工艺要求高（Qss）工艺要求低频率范围小，功耗低高频，大功率集成度高集成度低3.1MOSFET的结构和工作原理243.1.1MOSFET简介晶体管发展史1o提出FET的概念J.E.Lilienfeld（1930专利）O.Heil（1939专利）2oFET实验研究W.Shockley（二战后）3oPoint-contacttransistor发明J.BardeenW.H.Brattain（1947）4o实验室原理型JFET研制成功Schockley（1953）5o实用型JFET出现（1960）6oMOSFET出现（1960）7oMESFET出现（1966）3.1MOSFET的结构和工作原理353.1.2MOSFET的结构3.1MOSFET的结构和工作原理463.1.3MOSFET的基本工作原理ID当VGVT时ID:

0B3.1MOSFET的结构和工作原理573.1.4MOSFET的分类和符号NMOSPMOS增强型耗尽型增强型耗尽型衬底pnS/Dn+p+载流子电子空穴VDS+IDSDSSD载流子运动方向SDSDVT+符号GDBSGDBSGDBSGDBS3.1MOSFET的结构和工作原理683.1.5MOSFET的输出特性和转移特性1.输出特性线性区饱和区击穿区IDSVDS（VGS为参量）NMOS（增强型）输入G输出SSD3.1MOSFET的结构和工作原理793.1.5MOSFET的输出特性和转移特性1.输出特性3.1MOSFET的结构和工作原理8NMOS（增强型）NMOS（耗尽型）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）103.1.5MOSFET的输出特性和转移特性2.转移特性3.1MOSFET的结构和工作原理9IDSSVGS（VDS为参量）NMOS（增强型）输入G输出SSD113.1.5MOSFET的输出特性和转移特性2.转移特性3.1MOSFET的结构和工作原理10NMOS（增强型）NMOS（耗尽型）PMOS（增强型）PMOS（耗尽型）12第三章MOSFET的基本特性3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性133.2.1半导体的表面状态3.2MOSFET的阈值电压1VG=?

143.2.2阈值电压的表达式3.2MOSFET的阈值电压2不考虑msQssQox时考虑msQssQox时VFB0其中功函数差接触电势差153.2.2阈值电压的表达式3.2MOSFET的阈值电压3n沟MOS（NMOS）p沟MOS（PMOS）163.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压41.功函数差ms的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm（eV）3.354.14.554.75.05.14.055.15

（1）金属功函数Wm

（2）半导体功函数Ws=p型n沟MOSn型p沟MOSn-Sip-SiND（cm3）101410151016NA（cm3）101410151016Ws（eV）4.324.264.204.824.884.94173.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压51.功函数差ms的影响（3）Al栅工艺/硅栅工艺自对准多晶硅栅工艺Self-aligned（P-Si）（N-Si）183.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压51.功函数差ms的影响N-MOSFET多晶硅栅MOSFET193.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压61.功函数差ms的影响P-MOSFET多晶硅栅MOSFET203.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压72.衬底杂质浓度NB的影响NB增加2个数量级，VB增加0.12VVB/VVTnNMOSVT/V213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压83.界面固定电荷QSS的影响n沟MOS（NMOS）p沟MOS（PMOS）ND/cm-3NMOSPMOS223.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压94.离子注入调整VT增强型耗尽型P-SiRp0ECEVEVECq（2VB+|VBS|）VGS=VT（VBS）,VBS0q|VBS|n+n+p-Si|VBS|0VGSq|VBS|q（2VB+|VBS|）273.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压146.衬底偏置效应（衬偏效应，Bodyeffect）

（2）MOSFET的VT283.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压156.衬底偏置效应（衬偏效应，Bodyeffect）q|VBS|VGS=VT（VBS）,VBS0VGS=VT,VBS=0

（2）MOSFET的VT293.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压166.衬底偏置效应（衬偏效应，Bodyeffect）（3）VT（VBS）VBS=0时VBS0时303.2.3影响VT的因素6.衬底偏置效应（衬偏效应，Bodyeffect）（3）VT（VBS）3.2MOSFET的阈值电压17衬偏系数313.2.3影响VT的因素6.衬底偏置效应（衬偏效应，Bodyeffect）（3）VT（VBS）3.2MOSFET的阈值电压18衬偏效应下的转移特性32第三章MOSFET的基本特性3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性333.3.1MOSFET非平衡时的能带图3.3MOSFET的直流特性134qV（y）VGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0VGS=VT,VDS0qVBEFqVBqVBEFEFqV（y）EiSEiBEiSEiBEiBEiSVGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0立体图3.3.1MOSFET非平衡时的能带图3.3MOSFET的直流特性2正面侧面353.3.1MOSFET非平衡时的能带图3.3MOSFET的直流特性3363.3MOSFET的直流特性43.3.1MOSFET非平衡时的能带图373.3MOSFET的直流特性53.3.1MOSFET非平衡时的能带图MOSFET静电势图383.3MOSFET的直流特性53.3.1MOSFET非平衡时的能带图MOSFET静电势图393.3MOSFET的直流特性63.3.2IDSVDS的关系假设：

1o源区和漏区的电压降可以忽略不计；2o在沟道区不存在产生-复合电流；3o沟道电流为漂移电流；4o沟道内载流子的迁移率为常数n（E）=C；5o沟道与衬底间（pn结）的反向饱和电流为零；6o缓变沟道近似（GradualChannelApproximation）n+n+p-SiSGDxy403.3MOSFET的直流特性73.3.2IDSVDS的关系MOSFET坐标系xyz413.3MOSFET的直流特性83.3.2IDSVDS的关系1.缓变沟道近似（GCA）二维泊松方程GCA在计算Q（y）时不必考虑Ey的影响423.3MOSFET的直流特性93.3.2IDSVDS的关系2.可调电阻区（线性区）强反型条件下（VGSVT）在氧化层极板y处感应的单位面积上总电荷QB（dmax）反型电子y0LV（0）=0V（L）=VDSB2VB+V（y）VDS较小时负电荷433.3MOSFET的直流特性103.3.2IDSVDS的关系2.可调电阻区（线性区）VDS较小时443.3MOSFET的直流特性113.3.2IDSVDS的关系2.可调电阻区（线性区）VDS较小时跨导参数可调电阻区（线性区）当VDSVGSVTVDSsat夹断点左移，有效沟道缩短夹断区内EyEx，GCA不成立漏端Eox（L）与源端Eox（0）方向相反夹断点Eox（Leff）=0，Qn=0LeffLy长沟道器件：

L/L1长沟道短沟道短沟道器件：

L/L1IDS不饱和，VDSIDS沟道长度调制效应ro从变为有限大473.3MOSFET的直流特性143.3.3MOSFET的亚阈值特性1.亚阈值现象483.3MOSFET的直流特性153.3.3MOSFET的亚阈值特性2.亚阈值区的扩散电流弱反型时（VBVs2VB），半导体表面处p（0,y）n（0,y）NA载流子浓度低J漂移J扩散电流连续V（0）=0V（L）=VDSIy=常数n（0）=?

n（L）=?

493.3MOSFET的直流特性163.3.3MOSFET的亚阈值特性2.亚阈值区的扩散电流载流子浓度分布当VDS较小时（VDS0（实际）gm|饱和区VDS很小VDS稍大但仍VDSsat沟道长度调制效应漏区电场静电反馈作用gm=线性区饱和区603.3MOSFET的直流特性263.3.4MOSFET直流参数3.低频小信号参数（3）等效电路vGS+iDSGSSDgmvGSro=gD1vDS（VGSVT）线性区0饱和区613.3MOSFET的直流特性273.3.5MOSFET的二级效应1.非常数表面迁移率效应

（1）栅电场影响（Ex）VGSExn=550950cm2/Vsp=150250cm2/Vssbulk/2n/p=24n（x,y）dchx623.3MOSFET的直流特性283.3.5MOSFET的二级效应1.非常数表面迁移率效应

（1）栅电场影响（Ex）有效迁移率633.3MOSFET的直流特性293.3.5MOSFET的二级效应1.非常数表面迁移率效应

（1）栅电场影响（Ex）1o线性区：

VGS较小时，斜率增加等间距VGS较大时，曲线密集IDS=线性区饱和区2o饱和区：

VGS较大时，IDSsat随VGS增加不按平方规律栅电场对迁移率影响643.3MOSFET的直流特性303.3.5MOSFET的二级效应1.非常数表面迁移率效应

（2）漏电场Ey影响（载流子速度饱和效应）v（Ey）=EyEsatEyEsat在Ey=Esat处v（Ey）连续eff（Ex）v不饱和区v饱和区653.3MOSFET的直流特性313.3.5MOSFET的二级效应1.非常数表面迁移率效应（3）对gm的影响gm=线性区饱和区1oVGS影响gmsVGSVT0VGSExeff663.3MOSFET的直流特性323.3.5MOSFET的二级