MOSFET的阈电压PPT课件.ppt

MOSFET 的阈电压的阈电压 定义：定义：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阈电压阈电压（或（或 开启电压开启电压开启电压开启电压），记为），记为 V VT T 定义：定义：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 强反型强反型强反型强反型 在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极与衬底之间衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压产生的横向电场所决定，而与漏极电压产生的纵向电场的电压产生的横向电场所决定，而与漏极电压产生的纵向电场无关MOSMOS 结构的阈电压结构的阈电压结构的阈电压结构的阈电压 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 P 型衬底的费米势型衬底的费米势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 2、实际、实际 MOS 结构（结构（ MS < 0，，QOX > 0）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V VFBFB 称为称为 平带电压平带电压平带电压平带电压COX 代表单代表单位面积的栅氧化层电容，位面积的栅氧化层电容， ，，TOX 代表栅氧化层厚度代表栅氧化层厚度 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 = = q FP ，这时，这时能带总的弯曲量是能带总的弯曲量是能带总的弯曲量是能带总的弯曲量是 2 2q q   FPFP ，表面势为，表面势为，表面势为，表面势为    S S = = = =    S,invS,inv = = = = 2 2   FPFP 。

 外加栅电压超过外加栅电压超过 VFB 的部分的部分（（（（V VGG - - - -V VFBFB））））称为称为 有效栅电压有效栅电压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 VG – VFB = = 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 2q FP ，表面势为，表面势为 2 FP ，于是可得，于是可得 VT – VFB = = VOX + 2 FP V VT T = = = = V VFBFB + + V VOXOX + 2 + 2   FPFP 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 -QAQM- -QnCOX- -QSP可得可得 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 V VT T = = = = V VFBFB + + V VOXOX + 2 + 2   FPFP 中，中，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，在强反型刚开始时，可以忽略作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略 Qn QA 是是  S 的的函数，在开始强反型时，函数，在开始强反型时，QA (  S ) = = QA ( 2 FP ) ，故得，故得 1 1、阈电压一般表达式的导出、阈电压一般表达式的导出、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 强反型开始时的表面势强反型开始时的表面势  S,inv 由由 2 FP 变为变为 ( 2 FP + VS - -VB ) 5.2.2 MOSFET5.2.2 MOSFET 的阈电压的阈电压的阈电压的阈电压  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 沟道沟道 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 VS > 0，，VB < 0 当当 VS = = 0 ，，VB = = 0 时，时， 这与前面得到的这与前面得到的 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 N 型衬底的费米势型衬底的费米势型衬底的费米势型衬底的费米势 同理，同理，P 沟道沟道 MOSFET 当当 VS = 0 ，，VB = 0 时的阈电压为时的阈电压为式中，式中，  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衬底费米势衬底费米势 2 2、影响阈电压的因素、影响阈电压的因素、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 的典型值约为的典型值约为 150 nm ，目前高性能，目前高性能MOSFET 的的 TOX 可达可达 10 nm 以下1015 cm-3 时，时， 约为约为 V 。

b) 衬底费米势衬底费米势  FB  FB 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Al ~ Si 系统，系统， c) 功函数差功函数差  MS - - 0.6 V ～～ - - 1.0 V ( N 沟沟 )- - 0.6 V ～～ - - 0.2 V ( P 沟沟 )（见图（见图 5-15）） 当当 N = = 1015 cm-3 时，时， - - 0.9 V ( N 沟沟 )- - 0.3 V ( 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 N（例如离子注入）和（例如离子注入）和（例如离子注入）和（例如离子注入）和改变栅氧化层厚度改变栅氧化层厚度改变栅氧化层厚度改变栅氧化层厚度 T TOX OX 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 = = 150 nm 时，时，  对于对于 N 沟道沟道 MOSFET，， 3 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（体效应）、衬底偏置效应（体效应） 衬底偏置效应：衬底偏置效应：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 4、、、、离子注入对阈电压的调整离子注入对阈电压的调整离子注入对阈电压的调整离子注入对阈电压的调整 设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度 R 小于沟道小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度下的衬底耗尽区最大厚度 x dmax ，， 　　以　　以 NI 代表离子注入所新增加的杂质浓度代表离子注入所新增加的杂质浓度 ，，N A = NA + NI ；以；以 QI = - -qNIR 代表离子注入后在耗尽区新增加的电离杂质电代表离子注入后在耗尽区新增加的电离杂质电荷面密度，则经荷面密度，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。