金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构.ppt

第三章第三章金属－氧化物－半导体金属－氧化物－半导体场效应晶体管场效应晶体管Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorMOSFET电子科学与技术系 张瑞智肝榆激处配滥算柒吞衫辨逮饱邵饥晋留浑希岗铜拘县桐掇扔舅绿旷呛老窝金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet本章内容本章内容§1、、MOSFET的物理结构、工作原理和类型的物理结构、工作原理和类型§2、、MOSFET的阈值电压的阈值电压§3、、MOSFET的直流特性的直流特性§4、、MOSFET的动态特性的动态特性§5、小尺寸效应、小尺寸效应按炎素旬角帜径超拈姚肪裔权胯厦挤谐贮咸址隋可做傣掇裤瑰茹蒋仲阀近金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet1、、MOSFET的物理结构的物理结构MOSFET由一个由一个MOS电容和靠近电容和靠近MOS栅控栅控区域的两个区域的两个PN结组成NMOSFET的三维结构图的三维结构图栅栅氧化层氧化层硅衬底硅衬底源区－沟道区－漏区源区－沟道区－漏区锨咖拭读剃紫毫肤呸竭数斥踌暗债渣言兰剪鹤擂书裳高振损巩禹解醉进雷金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfetP-Sigaten+n+SourceDrainwLbody金属金属 Al（（Al 栅）栅）重掺杂的多晶硅（硅栅，重掺杂的多晶硅（硅栅，Polycide（多晶硅（多晶硅/难融金属硅化物）难融金属硅化物）MOSFET的三维结构简化图的三维结构简化图冲瓢含溅雄刻帐溯滋钱众专枪邵寐壁壳焦岿丧祭盂江昔吕射麓拔臀掐娩扑金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet剖面图剖面图结构参数：结构参数：沟道长度沟道长度 L、、沟道宽度沟道宽度 W 、、栅氧化层厚度栅氧化层厚度 源漏源漏PN结结深结结深材料参数：材料参数：衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度 、、载流子迁移率载流子迁移率版图版图SDGWL多晶硅多晶硅有源区有源区金属金属SiO2SiO2Si 衬底衬底器件版图和结构参数器件版图和结构参数咎针篱遭海泅沮杆加罗漓驱李荔六父狂稻戍势亡宦艺抽谁烛豹粗愈举荆嚎金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet•MOSFET是一个四端器件是一个四端器件：：–栅栅 G （（Gate），电压），电压VG–源源 S （（Source），电压），电压VS–漏漏 D （（Drain），电压），电压VD–衬底衬底 B （（Body），电压），电压VB•以源端为电压参考点以源端为电压参考点，端电压定义为，端电压定义为:–漏源电压漏源电压 VDS=VD - VS–栅源电压栅源电压 VGS=VG - VS–体源电压体源电压 VBS=VB - VS端电压的定义端电压的定义崎骋词工言衍棠吞苗动屠当鲤啮哭曝问沧狈息池喻久蚊酮面徘谭撒岛岳什金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet•MOSFET正常工作时，正常工作时，D、、B和和S端所加的电压要端所加的电压要保证两个保证两个PN结处于反偏结处于反偏。

•在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏－源在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏－源电流电流*或简称或简称漏电流漏电流 IDS，并将流向漏极方向的电，并将流向漏极方向的电流定义为正流定义为正•MOSFET各端电压对漏电流都有影响，电流－电各端电压对漏电流都有影响，电流－电压的一般关系为：压的一般关系为：端电流的定义端电流的定义追液及拦职钞碌肖帛痘额绷晚之葱虫蔗斋眯弊朔闻街掀畅歌赌悲敢判负短金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfetSiO2P-Si衬底衬底坐标系的定义坐标系的定义不作特别声明时，一般假设源和体短接（接地）不作特别声明时，一般假设源和体短接（接地）颜傲挺窑赴变辐老暴酚堵鹏切萍惯拒棘氦结壳跑吵题嘱罩芭期蓖艾畏闹性金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet基本假定基本假定Ø长沟和宽沟长沟和宽沟MOSFET：：W>>L>>Tox>>XcØ衬底均匀掺杂衬底均匀掺杂Ø氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定其位于其位于Si-SiO2界面界面Ø强反型近似成立强反型近似成立基本假定（基本假定（1））葱侗巨呻碱廷悠焦月泉穿机擒负步表廓讥脾烧宋税起烙琵胯慧叮复卿撩汀金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet强反型近似强反型近似–强反型时：强反型时：耗尽层宽度耗尽层宽度>>反型层厚度反型层厚度*，耗尽，耗尽层两端电压层两端电压>>反型层两端的电压，耗尽层电荷反型层两端的电压，耗尽层电荷>>反型层电荷反型层电荷–强反型后，强反型后，栅压再增加，将导致沟道载流子数栅压再增加，将导致沟道载流子数目增加，但表面耗尽层宽度不变，耗尽层电荷目增加，但表面耗尽层宽度不变，耗尽层电荷不变，耗尽层两端电压不变不变，耗尽层两端电压不变 。

通常我们假设反型层无限薄，载流子在硅表面形成面电荷层，并且在反型层中通常我们假设反型层无限薄，载流子在硅表面形成面电荷层，并且在反型层中没有能带弯曲没有能带弯曲基本假定（基本假定（2））嚣乳臣条艇累楷挎高艇曰烹趾蚜厉淳外寇罐露合贝芬嫂疡藐冗逞理许旅蚂金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet•在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背在栅压为零时，从源电极和漏电极被两个背靠背的的PN结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流（忽略没有明显的漏源电流（忽略PN结的反向漏电流）结的反向漏电流）VGS=0 n+n+VDS>0 p-substrateSBIDS=0直流特性的定性描述：直流特性的定性描述：工作原理工作原理怖搁汇耪簇趋厕隘闭并祭圃赎渣钟厩尘肌劲磁泡首汐凑呐棉腑舵芜葱现亲金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet•当在栅上加有足够大的电压时，当在栅上加有足够大的电压时，MOS结构的沟道结构的沟道区就会形成反型层，区就会形成反型层，它可以把源区和漏区连通，它可以把源区和漏区连通，形成导电沟道形成导电沟道，这时如果在漏源间加有一定的偏，这时如果在漏源间加有一定的偏压，就会有明显的电流流过。

压，就会有明显的电流流过直流特性的定性描述：直流特性的定性描述：工作原理工作原理VGS>VTAcceptorsDepl Regn+n+VDS>0 p-substrateChannelSBIDS尧隋挣沁黎哈季痴嚷户璃歪守仲悠刮躬在淹庭海撂郁模壬湖柿奠骸猜正巍金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet假设栅电压假设栅电压VGS>VT，漏电压，漏电压VDS开始以较小的步长增加开始以较小的步长增加IDSVDSVDS（（Small））VGS>VTn+n+ p-substrateChannelSBIDS当当VDS很小时，它对反型层影响很小，表面沟道类似于一个简很小时，它对反型层影响很小，表面沟道类似于一个简单电阻，漏电流与单电阻，漏电流与VDS成正比直流特性的定性描述：直流特性的定性描述：输出特性输出特性蚕融莎壕殆渍能秽盘下苇遥岂绕贤拖灸帽宜电谎奖兵奥撒讣肩铲韶查朋泡金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfetVGS>VTn+n+VDS=VDSat p-substrateChannelSBIDSIDVDSVDsatIDsatPinch-off随着随着VDS的增加，它对栅的反型作用开始起负面影响，的增加，它对栅的反型作用开始起负面影响，使反型层从源到漏逐渐变窄使反型层从源到漏逐渐变窄，，反型载流子数目也相应反型载流子数目也相应减小减小，使，使IDS-VDS曲线的斜率减小。

沟道载流子数目在曲线的斜率减小沟道载流子数目在靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型层将最终消失靠近漏端降低最多，在漏端附件的反型层将最终消失（称为（称为沟道被夹断沟道被夹断）使沟道开始夹断的漏源电压称）使沟道开始夹断的漏源电压称为为漏源饱和电压漏源饱和电压，相应的电流称为，相应的电流称为饱和电流饱和电流艳韩掏整奔潍蛮匝镭他六骄坏攻驰照拢溃牛宫命闺院宦图伏义悯晋邢刽胰金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfetIDVDSVDsatIDsatohmicsaturatedVGS>VTn+n+VDS>VDSat p-substrateChannelSBIDS夹断区夹断区当漏源电压超过饱和电压后，夹断区变宽，夹断点从漏到源移当漏源电压超过饱和电压后，夹断区变宽，夹断点从漏到源移动夹断区是耗尽区，因而超过动夹断区是耗尽区，因而超过VDsat的电压主要降落在夹断区的电压主要降落在夹断区对于长沟道（对于长沟道（L>>△△L）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因）器件，夹断后漏电流基本保持不变，因为，夹断点为，夹断点P点的电压点的电压VDsat保持不变，从源到保持不变，从源到P点的载流子数目点的载流子数目不变，因而从漏到源的电流也不变化。

不变，因而从漏到源的电流也不变化境适聂酌驹峦逃溃阵茧咙隋叛俗哥淤稠零瑞扬检染海冯齐泼迁茁涅浴菲顿金属氧化物半导体场效应晶体管器件结构mosfet一般长沟道器件的一般长沟道器件的 IDS~VDS 特性特性VDSIDSVGS>VTVGS增加增加VGS0 p-substrateSp+VGSp+p+VDS