微电子器件(5-2).ppt

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5.2MOSFET的阈电压的阈电压定义：

定义：

使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压阈电压，记为，记为VT。

定义：

定义：

当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了浓度时，称为表面发生了强反型强反型。

在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。

的电压所决定，与漏极电压无关。

5.2.1MOS结构的阈电压结构的阈电压本小节推导本小节推导P型衬底型衬底MOS结构的结构的阈电压阈电压。

上图中，上图中，1、理想、理想MOS结构（金属与半导体间的功函数差结构（金属与半导体间的功函数差MS=0，栅氧化层中的电荷面密度栅氧化层中的电荷面密度QOX=0）当当VG=0时的能带图时的能带图称为称为P型衬底的费米势型衬底的费米势。

上图中，上图中，S称为称为表面势表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以电势差，等于能带弯曲量除以q。

COX代表单位面积的栅氧化代表单位面积的栅氧化层电容，层电容，TOX代表栅氧化层厚度。

代表栅氧化层厚度。

2、实际、实际MOS结构（结构（MS0）当当VG=0时的能带图时的能带图3、实际、实际MOS结构当结构当VG=VFB时的能带图时的能带图当当时，可以使能带恢复为平带状态，时，可以使能带恢复为平带状态，这时这时S=0，硅表面呈电中性。

硅表面呈电中性。

VFB称为称为平带电压平带电压。

4、实际、实际MOS结构当结构当VG=VT时的能带图时的能带图要使表面发生强反型，应使表面处的要使表面发生强反型，应使表面处的EF-Eis=qFP，这这时时能带总的弯曲量是能带总的弯曲量是2qFP，表面势为表面势为S=S,inv=2FP。

外加栅电压超过外加栅电压超过VFB的部分（的部分（VG-VFB）称为）称为有效栅电压有效栅电压。

有效栅电压可分为两部分：

降在氧化层上的有效栅电压可分为两部分：

降在氧化层上的VOX与降在硅表面与降在硅表面附近的表面电势附近的表面电势S，即即VGVFB=VOX+S表面势表面势S使能带发生弯曲。

表面发生强反型时能带的弯曲使能带发生弯曲。

表面发生强反型时能带的弯曲量是量是2qFP，表面势为表面势为2FP，于是可得：

于是可得：

VTVFB=VOX+2FPVT=VFB+VOX+2FP上式中，上式中，QM和和QS分别代表金属一侧的分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而QS又是耗尽层电荷又是耗尽层电荷QA与反型层电荷与反型层电荷Qn之和。

之和。

QAQMQn中，可得中，可得MOS结构的阈电压为结构的阈电压为再将再将和上式代入和上式代入VT=VFB+VOX+2FP关于关于QA的进一步推导在以后进行。

的进一步推导在以后进行。

作为近似，在刚开始强反型时，可忽略作为近似，在刚开始强反型时，可忽略Qn。

QA是是S的的函数，在开始发生强反型时，函数，在开始发生强反型时，QA（S）=QA（2FP），故得：

，故得：

1、阈电压一般表达式的导出、阈电压一般表达式的导出MOSFET与与MOS结构的不同之处是：

结构的不同之处是：

a）栅与衬底之间的外加电压由栅与衬底之间的外加电压由VG变为变为（VG-VB），因此有效因此有效栅电压由栅电压由（VG-VFB）变为变为（VG-VB-VFB）。

b）有反向电压有反向电压（VS-VB）加在源、漏及反型层的加在源、漏及反型层的PN结上，使结上，使之处于非平衡状态，之处于非平衡状态，EFp-EFn=q（VS-VB）。

c）强反型开始时的表面势强反型开始时的表面势S,inv由由2FP变为变为（2FP+VS-VB）。

5.2.2MOSFET的阈电压的阈电压以下推导以下推导QA的表达式。

对于均匀掺杂的衬底，的表达式。

对于均匀掺杂的衬底，式中，式中，称为，称为体因子体因子。

因此因此MOSFET的阈电压一般表达式为的阈电压一般表达式为于是可得于是可得N沟沟MOSFET的阈电压为的阈电压为注意上式中，通常注意上式中，通常VS0，VB0。

当当VS=0，VB=0时，时，这这与与前面得到的前面得到的MOS结构的阈电压表达式相同。

结构的阈电压表达式相同。

称为称为N型衬底的费米势型衬底的费米势。

FN与与FP可以统一写为可以统一写为FB，代表代表衬底费米势衬底费米势。

同理，同理，P沟沟MOSFET的阈电压为的阈电压为式中，式中，2、影响阈电压的因素、影响阈电压的因素当当VS=0，VB=0时时，N沟道与沟道与P沟道沟道MOSFET的阈电压的阈电压可统一写为可统一写为a）栅氧化层厚度栅氧化层厚度TOX一般来说，当一般来说，当TOX减薄时，减薄时，|VT|是减小的。

是减小的。

早期早期MOSFET的的TOX的典型值为的典型值为150nm，目前高性能目前高性能MOSFET的的TOX可达可达10nm以下。

以下。

1015cm-3时，时，约为约为0.3V。

b）衬底费米势衬底费米势FBFB与掺杂浓度有关，但影响不大。

室温下，当掺杂浓度为与掺杂浓度有关，但影响不大。

室温下，当掺杂浓度为MS与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。

对于与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。

对于AlSi系统，系统，c）功函数差功函数差MS-0.6V-1.0V（N沟沟）-0.6V-0.2V（P沟沟）（见图（见图5-15）当当N=1015cm-3时，时，-0.9V（N沟沟）-0.3V（P沟沟）MS=MS=d）耗尽区电离杂质电荷面密度耗尽区电离杂质电荷面密度QAD由于由于FB与掺杂浓度与掺杂浓度N的关系不大，故可近似地得到的关系不大，故可近似地得到e）栅氧化层中的电荷面密度栅氧化层中的电荷面密度QOX调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度N（例如离子注入）例如离子注入）和改变栅氧化层厚度和改变栅氧化层厚度TOX来实现。

来实现。

QOX与制造工艺及晶向有关。

与制造工艺及晶向有关。

MOSFET一般采用（一般采用（100）晶面，并在工艺中注意尽量减小晶面，并在工艺中注意尽量减小QOX的引入。

在一般工艺条件的引入。

在一般工艺条件下，当下，当TOX=150nm时，时，对于对于N沟道沟道MOSFET，3、衬底偏置效应（体效应）、衬底偏置效应（体效应）衬底偏置效应：

衬底偏置效应：

VT随随VBS的变化而变化。

的变化而变化。

当当VS=0时，可将源极作为电位参考点，这时时，可将源极作为电位参考点，这时VG=VGS、VD=VDS、VB=VBS。

对于对于P沟道沟道MOSFET，可见，当可见，当|VBS|增大时，增大时，N沟道沟道MOSFET的阈电压向正方的阈电压向正方向变化，而向变化，而P沟道沟道MOSFET的阈电压向负方向变化。

的阈电压向负方向变化。

由于由于，所以，所以TOX越厚、越厚、N越高，衬底偏置越高，衬底偏置效应就越严重。

效应就越严重。

4、离子注入对阈电压的调整离子注入对阈电压的调整假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度R小于沟小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度道下的衬底耗尽区最大厚度xdmax，则经则经离子注入调整后的阈电压为离子注入调整后的阈电压为阈电压的调整量为阈电压的调整量为式中，式中，NI代表离子注入增加的杂质浓度，代表离子注入增加的杂质浓度，NA=NA+NI；QI=-qNIR代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。

代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。