半导体物理与器件+第4章MOS场效应晶体管.ppt

MOS场效应晶体管 MOS Field Effect Transistor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 4 1 MOS管的结构 工作原理和输出特性 4 1 1 MOS场效应晶体管的结构 4 1 2 基本工作原理和输出特性 4 1 3 MOS场效应晶体管的分类 4 2 MOS场效应晶体管的阈值电压 4 2 1 MOS管阈值电压的定义 4 2 2 MOS管阈值电压的表示式 4 2 3 非理想条件下的阈值电压 4 2 4 影响阈值电压的其他因素 4 2 5 阈值电压的调整技术 4 3 MOS管的直流电流 电压特性 4 3 1 MOS管线性区的电流 电压特性 4 3 2 MOS管饱和区的电流 电压特性 4 3 3 亚阈值区的电流 电压特性 4 3 4 MOS管击穿区特性及击穿电压 4 4 MOS电容及MOS管瞬态电路模型 4 4 1 理想MOS结构的电容 电压特性 4 4 2 MOS管瞬态电路模型 SPICE模型 4 5 MOS管的交流小信号参数和频率特性 4 5 1 MOS场效应管的交流小信号参数 4 5 2 MOS场效应晶体管的频率特性 4 6 MOS场效应晶体管的开关特性 4 6 1 MOS场效应晶体管瞬态开关过程 4 6 2 开关时间的计算 4 7 MOS场效应晶体管的二级效应 4 7 1 非常数表面迁移率效应 4 7 2 体电荷效应对电流 电压特性的影响 4 7 3 MOS场效应晶体管的短沟道效应 4 7 4 MOS场效应晶体管的窄沟道效应 4 8 MOS场效应晶体管温度特性 4 8 1 热电子效应 4 8 2 迁移率随温度的变化 4 8 3 阈值电压与温度关系 4 8 4 MOS管几个主要参数的温度关系 场效应管 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流 的三极管 一种载流子参与导电 又称单极型 Unipolar 晶体管 原理 利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电能力而实现放大作用 第四章 MOS场效应晶体管 双极晶体管 参加工作的不仅有少数载流子 也有多数载 流子 故统称为双极晶体管 特 点 单极型器件 靠多数载流子导电 输入电阻高 可达1010 有资料介绍可达1014 以上 抗辐射能力强 制作工艺简单 易集成 热稳定性好 功耗小 体积小 成本低 OUTLINE 4 1 MOS场效应晶体管结构 工作原理和输出特性 栅极Al Gate 源极 Source 漏极 Drain 绝缘层SiO2 Insulator 保护层 表面沟道 Channel 衬底电极 Substrate Ohmic contact MOS管结构 两边扩散两个高浓度的N区 形成两个PN结 以P型半导体作衬底 通常 MOS管以金属Al Metal SiO2 Oxide Si Semicond uctor 作为代表结构 基质 硅 锗 砷化镓和磷化铟等 栅材 二氧化硅 氮化硅 和三氧化二铝等 制备工艺 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构 它 是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层 然 后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区 从N型区 引出电极 结构 环形结构 条状结构和梳状结构 基本结构参数 电容结构 沟道长度 沟道宽度 栅绝缘层厚度tOX 扩散结深 衬底掺杂浓度NA 表面电场 MOS FET Fundamentals D S 间总有一个反接的PN结 产生垂直向下的电场 MOS管工作原理 栅压从零增加 表面将由耗尽逐步进入反型状态 产生电子积 累 当栅压增加到使表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部 的空穴平衡浓度时 表面达到强反型 此时所对应的栅压称为 阈值电压UT 感应表面电荷 吸引电子电场排斥空穴 正常工作时的偏置 强反型时 表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层 称为反型层 沟道 以电子导电的反型层称做N沟道 感应表面电荷 一种典型的电压控制型器件 电流通路 从漏极经过沟道到源极 UGS 0 UDS 0 漏端PN结反偏 反偏电流很小 器件截止 UGS 0 UDS 0 表面形成沟道 漏区与源区连通 电流明显 器件导通 zero applied bias 源极和漏极之间始终有一个PN结反偏 IDS 0 分析 漏 源输出特性 下面分区讨论 各区的特点 曲线与虚线的交点为 夹断点 夹断区 截止区 恒流区 放大区或饱和区 预夹断轨迹 可变电 阻区 击穿区 1 截止区特性 UGS 0 耗尽型 UT 0 P沟 增强型 NP 空穴负UT 0 4 2 决定阈值电压的因素 4 2 1 阈值电压的定义 阈值电压 在漏 源之间半导体表面处感应出导电沟 道所需加在栅电极上的电压UGS 表示MOS管是否导通的临界栅 源电压 工作在饱和区时 将栅压与沟道电流关 系曲线外推到零时所对应的栅电压 使半导体表面势US 2 为衬底半导体材料的费米 势 US的大小相当于为使表 面强反型所需加的栅电压 外推 UDS 0 4 2 2 阈值电压的相关因素 阈值电压 表面出现强反型时所加的栅 源电压 强反型 表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底 多子浓度的状态 US P型衬底 N沟强反型时能带图 金属栅板上的面电荷密度 表面态电荷密度 导电电子电荷面密度 表面耗尽层 空间电荷面密度 衬底掺杂浓度NB EF 电荷分布 Charge Distribution Strong Inversion band bending surface potential Inversion region Depletion region Neutrals region Band diagram p type substrate Ideal MOS Curves Oxide Semiconductor surface P type silicon 表面强反型时 表面耗尽层 surface depletion layer 宽度达到最大 电荷密度也达到最大值 电中性条件要求 反型层 inversion layer 电子只存在于极表面的一层 简化为 理想条件下的阈值电压 忽略氧化层中的表面态电荷密度 理想情况下 表面势完全产生于外加栅极电压 外加栅压 栅氧化层上的电压降 向衬底方向的厚度 栅氧化层的单位面积电容 达到强反型的条件US 2 F 可得 理想阈值电压为 实际阈值电压 栅压为零时 表面能带已经发生弯曲 平带电压 表面态电荷影响的栅源电压 栅电压为 Flat band condition 阈值电压为 N沟的平衡状态时的阈值电压 衬底掺杂浓度越高 阈值电压也越高 金属 半导体功函数差越大 阈值电压越高 N沟 P型衬底中Ei EF 因而 F为正 漏 源电压UDS 0时 表面反型层中的费米能级和 体内费米能级处在同一水平 NMOS管 4 2 3 非理想条件下的阈值电压 在MOS结构中 当半导体表面形成反型层时 反型 层与衬底半导体间同样形成PN结 这种结是由半导体表 面的电场引起的 称为感应结 当漏 源电压UDS 0时 感应 PN结处于平衡状态 表面反 型层和体内费米能级处于同 一水平 UBS 0 UDS 0时非平衡状态下的阈值电压 反型沟道 U y UBS 0 UDS 0时沟 道压降直接加到反型 层与衬底所构成的场 感应结上 使场感应 结处于非平衡状态 沟道反型层中少子的费米能级EFn与体内费米能级EFP将不 再处于同一水平 Non equilibrium Condition 结两边的费米能级之差 EFP EFn qU y 表面势则增大 US 2 F U y 表面耗尽层宽度也随着外加电压 的增大而展宽 耗尽层的最大电荷密度 非平衡状态下的阈值电压 NMOS管 UBS 0 UBS 0时的阈值电压 假定外加UGS已使表面反型 加在衬 源之间的UBS使场感应结 承受反偏 系统进入非平衡状态 引起以下两种变化 场感应结过渡区两种载流子的准费米能级不重合 表面耗尽层的厚度及电荷面密度随UBS的改变而变化 对照其他PN结反偏电压 假定 衬底多子的准费米能级不随体内 到表面的距离变化 保持为常数 场感应结过渡区少子准费米能级 与衬底多子准费米能级隔开一段距离 在P型衬底中是 N 沟道 P 沟道 此时 阈值电压的增量 NMOS管的增量 N沟道MOS有 PMOS管的增量 由此可以看出 UT 正比于tOX 及 NB为衬底掺杂浓度 NMOS场效应晶体管的QBm0 PMOS场 效应晶体管的QBm 0 UTn0 UT 0 4 衬底杂质浓度的影响 UBS 0 衬底杂质浓度愈低 表 面耗尽层的空间电荷对 阈值电压的影响愈小 在结构已选定 工艺稳定条件下 能够通过调整衬底掺杂浓 度及二氧化硅层厚度来控制阈值电压 阈值电压 的增量 4 2 5 阈值电压的调整技术 现代MOS器件工艺中 已大量采用离子注入技术通过沟 道注入来调整沟道杂质浓度 以满足阈值电压的要求 改变沟道掺杂注入剂量 就能控制和调整器件的阈值电压 离子注入调整阈值电压 选用低掺杂材料作为衬底 采用 适当步骤向PMOS或NMOS管沟道区注入一定数量的与衬底 导电类型相同或相反的杂质 从而将阈值电压调整到期望的 数值上 向沟道区注入杂质离子 既可做成表面沟器件 常 用 也可以形成隐埋沟道 注入离子实际上是在足够大的衬底面积上进行扫描 离子注入后的热退火以及后续工艺步骤中的热处理都会使 注入杂质扩散 1 用离子注入掺杂技术调整阈值电压 注入剂量 原始衬底掺杂浓度 离子注入浓度平均值 注入浓度分布 深度 1 浅注入 注入深度远小于表面最大耗尽层厚度 2 深注入 深度大于强反型下的表面最大耗尽区厚度 表面反型层 及表面耗尽区全都分布于杂质浓度均匀的区域 3 中等深度注入 dS小于表面最大耗尽区厚度 但二者大小可以比拟的情形 衬偏调制系数 浅注入 浅深注入 中等深度注入 实际工艺中多半采用较容易实现的中等深度注入 当 UBS 2 6 V时 最大表面耗尽层厚度小于注入深度 属于深 注入情形 只有UBS 2 6 V时 最大表面耗尽层厚度才会大 于注入深度 为了获得良好的特性 采用这种方式注入时 应适当地减小注入深度dS 2 用埋沟技术调整MOS管的阈值电压 1 埋沟MOS管的特性 注入较浅 Xj 注入结深度 较 小的器件 外加UGS的数值足够 大 半导体表面随UGS在耗尽和 弱反型区变化时沟道开始夹断 夹断以后再增加UGS的数值 器 件一直是截止的 UBS 较小时 UGS 增大 到表面强反型时沟道尚未夹断 从此继续增加UGS 由于表 面耗尽区不再扩展 沟道不可 能夹断 任意UGS之下MOS场 效应晶体管始终是导通的 开始夹断 ID 0 UDS 0 UDS 0 耗尽型 2 采用埋沟技术控制MOS管阈值电压的大小 漏端附近 纵向沟道区体积元 衬底 表面耗尽区厚度 沟道厚度 PN结空间电荷 沟道夹断条件 XS Xn Xj PN结空间电荷区宽度与外加电压的关系 沟道厚度为0 埋沟 预先深度控制导电沟道 对于结构已定的器件 用埋沟技术就能够控制器件沟道是 夹断或是夹不断的情况 从而得到不同的转移特性 用埋沟技术 可以削弱UBS对阈值电压的影响 4 3 MOS管的直流电流 电压特性 定量分析电流 电压特性 一级效应的6个假定 漏区和源区的电压降可以忽略不计 在沟道区不存在复合 产生电流 沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多 在沟道内载流子的迁移率为常数 沟道与衬底间的反向饱和电流为零 缓变沟道近似成立 即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电 场分量EX与沟道中沿载流子运动方向的电场分量EY无关 沿沟 道方向电场变化很慢 4 3 1 线性区的电流 电压特性 沟道从源区连续地延伸到漏区 电子流动方向为y方向 U y 沟道的三个参数 长度L 宽度W和厚度d 在沟道中的垂直方向切出一 个厚度为dy的薄片来 阻值 为 在该电阻上产生的压降为 根据 因此 引进 增益因子 当UDS比较小时 线性关系 管的导通电阻 线性工作区的直流特性方程 当UDS很小时 IDS与UDS成线性关系 UDS稍大时 IDS上升变慢 特性曲线弯曲 电压。