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1、2022/11/20,半导体物理与器件,西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽第11章 MOSFET基础1.2 C-V特性1.3MOS管原理,2022/11/20,1.2 C-V特性 本节内容,理想MOS电容的CV特性氧化层电荷对CV特性影响界面态概念及对CV特性影响,2022/11/20,1.2 C-V特性 什么是C-V特性,MOS电容C=dQ/dV=Cox与Cs的串联,器件电容定义:,相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小,2022/11/20,1.2 C-V特性 理想MOS电容C-V特性,电容-电压特性测试曲线,直流电压：决定器件工作点，调整大小
2、使MOS先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态,交流电压：幅值比较小，不改变半导体的状态,测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。,2022/11/20,1.2 C-V特性 堆积状态,加直流负栅压，堆积层电荷能够跟随交流小信号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。,2022/11/20,1.2 C-V特性 平带状态,所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲,2022/11/20,1.2 C-V特性 耗尽状态,加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容CSD,C相当与Cox与Csd串联,20
3、22/11/20,1.2 C-V特性 强反型状态,阈值反型点： CV曲线分高低频。原因：和反型层电荷的来源密切相关。,2022/11/20,1.2 C-V特性 反型层电荷来源,2022/11/20,反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1、P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+漂移）2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。,半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生复合。热运动：电子从价带激发到导带，电子热运动挣脱共价键束缚的过程,交流信号正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间 。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号变化快慢相关：,2022
4、/11/20,1.2 C-V特性 强反型状态(低频),加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。,中反型：近似认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区,2022/11/20,1.2 C-V特性 反型状态(高频),加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对C有贡献。总电容？交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？,2022/11/20,1.2 C-V特性 n型与p型的比较,型衬底MOS结构,n型衬底MOS结
5、构,2022/11/20,1.2 C-V特性 氧化层电荷的影响,- - - - -,+,例图:因为Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,Qss使得S表面处于任状态时与无Qss相比VG都左移.但每一状态下的C并不会发生变化：(例CFB始终不变) 每个状态VG变，不改变vg对QS的作用VG移量相等: Qss不是栅压的函数，栅压改变不影响Qss大小,- - -,2022/11/20,1.2 C-V特性 界面陷阱的分类,被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性,被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电,（界面陷阱）,界面电荷是栅压
6、的函数? 栅压会改变半导体表面的EF相对位置,界面态：半导体界面处禁带宽度中的电子能态。,2022/11/20,2022/11/20,1.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征,本征态,本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响禁带中央：CV曲线实虚线重和,2022/11/20,2022/11/20,1.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征前,本征之前：EFiEF，总有施主态在EFS之上，施主态失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等,- - - - - -,+,本征态,- - -,陷阱电荷使得S表面处于本征之前任状态时VG都左移. 每一状态下的C并不会
7、发生变化：(例CFB始终不变)VG左移量随栅压不等,例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电,2022/11/20,2022/11/20,本征之后： EFiEF，总有受主态得到电子，界面陷阱带负电，负受主态数量是栅压的函数。C-V曲线右移，右移量随栅压不等,1.2 C-V特性 界面陷阱的影响:反型状态,+,例图:需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电,阈值电压升高,+,_ _ _,陷阱电荷使得S表面处于本征之后状态时VG右移.每一状态下的C并不会发生变化：(例CT不变)VG右移量随栅压不等,2022/11/20,1.2 C-V特性 需掌握内容,理想情况CV特性CV特性概念和CV特性测试
8、原理MOS电容在不同半导体表面状态下的特点和公式频率特性高低频情况图形及解释思考：阈值反型点后若直流电压变化快，CV曲线如何？非理想CV曲线氧化层电荷对CV特性影响界面态产生、分类及对CV特性影响,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 本节内容,MOSFET基本结构电流电压关系概念电流电压关系推导跨导和沟道电导衬底偏置效应,2022/11/20,2022/11/20,1.3MOSFET原理 MOSFET结构,4端器件： S：source 提供载流子的终端D：drain 收集载流子的终端G：gate, 起控制（开关）作用B：body ，衬底体区，衬底电极,MOSFET: Metal-O
9、xide-Semiconductor field-effect transistor： 电压控制电流场效应晶体管,绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET） 栅极与其它电极之间是相互绝缘的MIS（Metal-Insulated-Semiconductor）,黑（灰）色部分可以理解为两种材料界面或空间电荷区，一般书中不画。,2022/11/20,1.3MOSFET原理 MOSFET结构,沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度.沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度栅氧厚度tox,MOS电容：外加VG， 氧化层下方半导体表面可能形成反型层，连接SD区，就是MOSFET
10、的导电沟道。,2022/11/20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1),n沟道MOSFET：NMOS,沟道MOSFET：PMOS,分类方法1：按照沟道载流子的导电类型分,沟道电流： VGSVT，加VDS NMOS(VDS0)；PMOS(VDS0),2022/11/20,1.3 MOSFET原理 MOSFET分类(2),n沟道增强型MOSFET(E型：Enhancement),零栅压时不存在反型沟道，VTN0,n沟道耗尽型MOSFET(D型：Delption),零栅压时已存在反型沟道，VTN0,问题：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？,分类方法2：
11、0栅压是否存在反型沟道分,2022/11/20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3),沟道增强型MOSFET,零栅压时不存在反型沟道，VTP0,沟道耗尽型MOSFET,零栅压时已存在反型沟道，VTP0,思考：N衬表面若不进行专门的P型掺 杂，能否形成耗尽型PMOS?,2022/11/20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 MOSFET分类(4),四种MOS晶体管 N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型,2022/11/20,2022/11/20,1.3MOSFET原理 VGS的作用,VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压。强反型层
12、存在-MOSFET的沟道存在。,VT：刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS,vGS 越大，沟道载流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。,2022/11/20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 VDS的作用,场感应结：n型沟道和P型衬底。VDS使沟道上压降从源到漏增加，场感应结反偏压增加，耗尽层增 厚，栅上电压不变，反型层厚度渐,2022/11/20,VDS的作用：（VGSVT）形成沟道电流： NMOS(VDS0)PMOS(VDS0)载流子迁移率为表面迁移率，不等于体内u。 对Vox起抵消作用：沟道从源到漏厚度渐沟道x点处沟道电荷Qn=COX（VGS-Vx-VT）,2022/11/
13、20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 IV特性,共源连接NMOSFET：输入端：GS, 输出端：DS,输出特性,转移特性,偏置特点：VGSVTN,VDS0沟道形成形成沟道电流：对VGS起抵消作用：沟道从源到 漏厚度渐,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(1),线性区,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(2),过渡区,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 ID随VDS的变化(3),饱和点,沟道夹断点X：反型层电荷密度刚好近似=0 VGX=VT,VXS=VDS(sat),2022/11/20,1.3 MOSF
14、ET原理 ID随VDS的变化(4),饱和区,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 转移特性曲线,n沟道MOSFET,沟道MOSFET,VGS,VGS,VGS 越大，沟道载流子越多，在相同的漏源电压VDS作用下，漏极电流ID越大。,反型层形成后，因反型层在G和B间起屏蔽作用，即VGS变，电荷由S和D提供，非衬底。,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 输出特性曲线,四个区：（I） 线性区： VGSVT, VDSVT, VDS(VGS-VT) ，恒流区（压控电流源）。 （III）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。（IV）截止区: VGSVT。,2022/11/20,1.3
15、 MOSFET原理 输出特性曲线簇,n沟增强型,n沟耗尽型,P沟在第3象限，越负电流越大,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 需掌握内容,MOSFET基本结构、种类、横截面图、符号图MOSFET基本工作原理 电流电压关系定性物理过程 输出特性曲线四个区的划分 转移特性曲线三个区的划分,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:结构模型,型衬底、n型沟道MOSFET,0,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设,沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的栅氧化层中无电流缓变沟道近似（长沟器件），即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的
16、电场变化，EX为常数氧化层中的所有电荷均可等效为Si-SiO2界面处的有效电荷密度QSS沟道中的载流子迁移率与空间座标无关忽略SD区体电阻和金属电极间的接触电阻，VDS完全降在沟道上。,2022/11/20,高斯定理,相互抵消,E5=E6=0，即使有也相互抵消,E30,表面所在材料的介电常数,某闭合表面,沿闭合表面向外法线方向的电场强度,该闭合表面所包围区域的总电荷量,1.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:氧化层电势,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场,氧化层电势,半导体表面空间电荷
17、区的单位面积电荷,氧化层中垂直于沟道方向的电场,反型层单位面积的电荷,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,电流密度,电流强度,漏源电流强度,不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流,漏源电流强度,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:影响漏极电流Id的因素,为增益因子，或称几何跨导参数,影响漏极电流ID大小的因素（1）沟道的宽长比；（2）载流子（电子或空穴）的迁移率；（3）栅氧化层电容； （4）开
18、启电压VT；（5）偏置VGS。,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 I-V特性:提高器件ID驱动能力的途径,在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS,材料参数,设计参数,工艺参数,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 和VT的测试提取方法,高场下迁移率随电场上升而下降,存在亚阈值电流,n沟耗尽型,n沟增强型,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 p沟增强型MOSFET的I-V特性,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 跨导:模型,跨导：VDS一定时，漏电流随VGS变化率。,表征FET放大能力的重要参数（晶体管增益），反映了VGS 对 ID 的控制能
19、力。单位 S(西门子)，一般为几毫西 (mS)。,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 跨导:表达式,VGS一定时，饱和区跨导线性区跨导,器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 跨导影响因素,.VGS较小：与VGS无关，gms VGS .VGS较大：VGS=表面散射=；gms随VGS而变缓 .VGS为一较大值： 1/(VGS-VT), gms随VGS达到最大 IV.VGS很大： gms随VGS而,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 跨导影响因素:RS、RD的影响,Rs对MOS管跨导影响，gmeff,Rs降低了跨导（晶体管增益
20、），而且Rs越大，降低程度越大,Rs=0, VGS=VGS;Rs不等于0, VGS=VGS+ID*RS;,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 跨导:提高途径,材料参数,设计参数,工艺参数,在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS,降低串联电阻RS,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 （沟道电导）漏导:模型,沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随VDS的变化率,表明线性区导通能力（导通电阻）,器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 漏导:影响因素,增加线性区沟道电导的途径？,非饱和区漏导等于饱和区跨导,2022/11
21、/20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 漏导:RS,RD影响,RS，RD：SD电极间电阻增加，电导下降,Rs=0, RD=0，VDS=VDSRs, RD不等于0,VDS=VDS-ID*(RS+RD),Rs，RD对MOS管跨导影响，gdeff,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 需掌握内容,电流电压关系推导理解缓变沟道近似线性区和饱和区IV关系的推导跨导定义、公式和影响因素沟道电导定义、公式和影响因素,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1),0,必须反偏或零偏,IC中衬底电位的接法,2022/11/20,2022/11/20,2022/11
22、/20,1.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2),VSB0源区电势能=-e(VD+VSB),VSB=0源区电势能=-eVD,源衬结能带图：衬底0势能参考点,阈值反型点时，VDS=0，反型层沟道连接源漏，沟道和源区电子势能近似相等 VSB=0时，半导体s（2fp）近似等于源衬结内建电势差VD VSB0时，半导体s近似等于VD+VSB=2fp+VSB,沟道区电势能=-es,2022/11/20,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2),衬底偏压反型条件耗尽层电荷,VSB0，源区电势能= -e（VD+VSB),2022/11/20,2022/11/20,1.3 MOSF
23、ET原理 衬底偏置效应(4),VSB的存在使负的耗尽层电荷更多，VT增加，且VSB越大，VT越大,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(5),2022/11/20,1.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(6),2022/11/20,1.3 MOSFET原理 背栅定义,衬底能起到栅极的作用，称“背栅” VBS改变了耗尽层和反型沟道层的电荷分配之比，从而控制了IDS。,VGS若不变，VBS变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化，反型沟道电荷变化，则漏电流变化。,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 衬底跨导,衬底跨导gmb：VGS和VDS为常数时，ID随VBS的变化率,2022/11/20,1.3 MOSFET原理 需掌握内容,衬底偏置效应的电位连接P衬最低电位，n管阈值上升N衬最高电位，p管阈值更负衬底偏置效应对MOSFET的影响和物理过程衬底“背栅”定义和物理过程,2022/11/20,END,
