半導體器件——第四章

1、柵極采用柵極采用PN結結構結結構柵極采用柵極采用MOS結構結構結型場效應晶體管結型場效應晶體管絕緣柵型場效應晶體管絕緣柵型場效應晶體管4.2.1 理想理想MOS結構結構 金屬金屬氧化物氧化物半導體半導體結構，構成結構，構成MOS管。管。MOS結構是絕緣柵型場效應晶體結構是絕緣柵型場效應晶體管開關控制的核心部分。金屬層引出的電極稱為柵極，柵電壓的正負是相對硅襯管開關控制的核心部分。金屬層引出的電極稱為柵極，柵電壓的正負是相對硅襯底電壓而言的。底電壓而言的。理想理想MOS管平衡態(tài)的能帶圖管平衡態(tài)的能帶圖1、 理想理想MOS結構的特征結構的特征(1)零偏條件下，金屬與零偏條件下，金屬與半導體的功函數(shù)

2、差為半導體的功函數(shù)差為0，即，即功函數(shù)：費米能級與真空能級之間的能量差功函數(shù)：費米能級與真空能級之間的能量差理想情況下，平衡態(tài)時理想情況下，平衡態(tài)時MOS結構的能帶圖沒有發(fā)生彎曲。結構的能帶圖沒有發(fā)生彎曲。金屬的功函數(shù)表示為電子由金屬內部逸出到真空中所需要的最小能量。金屬的功函數(shù)表示為電子由金屬內部逸出到真空中所需要的最小能量。功函數(shù)的大小標志著電子在金屬中束縛的強弱，功函數(shù)越大，電子越不容易離開金屬。功函數(shù)的大小標志著電子在金屬中束縛的強弱，功函數(shù)越大，電子越不容易離開金屬。 （2）在任何直流偏置下，絕緣層內無電荷且絕緣層，完全）在任何直流偏置下，絕緣層內無電荷且絕緣層，完全 不導電。不導電

3、。（3）絕緣層與半導體界面不存在任何界面態(tài)。）絕緣層與半導體界面不存在任何界面態(tài)。2、 理想理想MOS結構在結構在非平衡態(tài)非平衡態(tài)時的能帶圖時的能帶圖VG 0時，理想時，理想MOS管的能帶圖管的能帶圖VG 0時，理想時，理想MOS管的能帶圖管的能帶圖VG 0時，金屬費米能級時，金屬費米能級相對于半導體費米能級相對于半導體費米能級下降下降qVG。能帶彎曲的方向與費米能帶彎曲的方向與費米能級變化的方向相同。能級變化的方向相同。半導體表面能帶向下彎曲。半導體表面能帶向下彎曲。在半導體與氧化物的界面在半導體與氧化物的界面處（即，能帶發(fā)生彎曲的處（即，能帶發(fā)生彎曲的區(qū)域），費米能級更遠離區(qū)域），費米能級

4、更遠離價帶，意味著該區(qū)域空穴價帶，意味著該區(qū)域空穴濃度降低。濃度降低。界面處出現(xiàn)了多數(shù)載流子的界面處出現(xiàn)了多數(shù)載流子的耗盡耗盡。+VG 0時，理想時，理想MOS管的能帶圖管的能帶圖VG 0時，金屬費米能時，金屬費米能級相對于半導體費米能級相對于半導體費米能級進一步下降。級進一步下降。半導體表面能帶進一步半導體表面能帶進一步向下彎曲。向下彎曲。柵壓增大到一定值時，柵壓增大到一定值時，半導體表面處費米能級半導體表面處費米能級高于本征費米能級。表高于本征費米能級。表面處電子濃度超過空穴面處電子濃度超過空穴濃度。此時半導體表面濃度。此時半導體表面出現(xiàn)出現(xiàn)“反型反型”。若反型層內電子濃度較低，稱為若反型

5、層內電子濃度較低，稱為“弱反型弱反型”；若反型層內電子濃度等于體內多子濃度時，稱為若反型層內電子濃度等于體內多子濃度時，稱為“臨界強反型臨界強反型”。通常認為，半導體表面在臨界強反型時才具有導電能力。通常認為，半導體表面在臨界強反型時才具有導電能力。+從從MOS管電容理論，理解半導體表面的反型管電容理論，理解半導體表面的反型正的柵壓會將半導體表面的空穴推向體內，同時把半導體正的柵壓會將半導體表面的空穴推向體內，同時把半導體體內的電子吸引到表面區(qū)域，體內的電子吸引到表面區(qū)域，p型硅襯底表面（硅襯底與絕型硅襯底表面（硅襯底與絕緣層界面處）的電子濃度升高，出現(xiàn)反型。緣層界面處）的電子濃度升高，出現(xiàn)反

6、型。P表面電子濃度升高到與體內多子濃度相當時，為臨界強反表面電子濃度升高到與體內多子濃度相當時，為臨界強反型。此時，半導體表面形成導電溝道，溝道中電子為多子，型。此時，半導體表面形成導電溝道，溝道中電子為多子，因此稱為因此稱為n溝道。溝道。3、 理想理想n型襯底型襯底上上MOS結構的能帶圖結構的能帶圖（a）平衡態(tài)）平衡態(tài)（b）表面積累）表面積累+（c）表面耗盡）表面耗盡（d）表面反型）表面反型 4、 表面勢表面勢表面勢是用于表征半導體表面能帶彎曲程度的參數(shù)。表面勢是用于表征半導體表面能帶彎曲程度的參數(shù)。對于對于p型半導體：型半導體：若若sp0,表面空穴積累表面空穴積累；若若s0，則能帶向下彎，

7、則能帶向下彎， 表面表面耗盡或反型耗盡或反型；（耗盡：表面仍為（耗盡：表面仍為p型，型， psp0, 反型：表面為反型：表面為n型。）型。）反型時能帶彎曲程度大于耗盡反型時能帶彎曲程度大于耗盡費米勢：本征費米能級與費米勢：本征費米能級與 體內費米能級之差。體內費米能級之差。若若0sf ，半導體表面本征費米能級彎曲至費米能級之下，半導體表面本征費米能級彎曲至費米能級之下， 表面反型表面反型；若若s=2f ，ns=p0，半導體表面進入臨界強反型狀態(tài)，具有半導體表面進入臨界強反型狀態(tài)，具有 較強的導電能力。較強的導電能力。5、 MOS管性能的描述管性能的描述 電容電容-電壓特性電壓特性4.2.2 M

8、OSFET 結構及其工作原理結構及其工作原理源源漏漏柵柵柵氧柵氧場氧場氧柵長柵長1、柵壓對源、柵壓對源-漏電流開關的控制漏電流開關的控制當柵極不加電壓時，無論當柵極不加電壓時，無論S-D之間加什么極性的電壓，均被之間加什么極性的電壓，均被反偏反偏PN結隔離，源漏之間無電流，處于關態(tài)；結隔離，源漏之間無電流，處于關態(tài)；若要源漏導通，則需要在源漏之間形成一個導電通道：對于源漏若要源漏導通，則需要在源漏之間形成一個導電通道：對于源漏為為n型，需要形成型，需要形成n型導電通道，即柵極加正向偏壓。型導電通道，即柵極加正向偏壓。VG0，但較小，靠近絕緣層的半導體表面處于耗盡狀態(tài)。源漏，但較小，靠近絕緣層的

9、半導體表面處于耗盡狀態(tài)。源漏之間仍然不導通。之間仍然不導通。VG增大到一定值時，半導體表面開始反型，絕緣柵下出現(xiàn)電子層。增大到一定值時，半導體表面開始反型，絕緣柵下出現(xiàn)電子層。當柵壓增大到足以使半導體表面臨界強反型時，反型層內電子當柵壓增大到足以使半導體表面臨界強反型時，反型層內電子濃度足夠大，形成導電能力較強的濃度足夠大，形成導電能力較強的n型導電溝道，此時，導電溝道型導電溝道，此時，導電溝道將將n型源漏連接起來，源漏處于開態(tài)。型源漏連接起來，源漏處于開態(tài)。若處于弱反型狀態(tài)，若處于弱反型狀態(tài)，n型溝道的導電能力較差，源漏之間仍處于關型溝道的導電能力較差，源漏之間仍處于關態(tài)；態(tài)；閾值電壓閾值電

10、壓半導體表面發(fā)生臨界強反型時所加的柵極電壓半導體表面發(fā)生臨界強反型時所加的柵極電壓VG稱為稱為MOSFET的的閾值電壓，用閾值電壓，用VT表示。表示。溝道開啟以后，若繼續(xù)增大溝道開啟以后，若繼續(xù)增大VG，溝道中電子濃度按指數(shù)規(guī)律增加，溝道中電子濃度按指數(shù)規(guī)律增加，溝道的導電能力迅速增大，在源漏電壓不變的情況下，源漏之間的溝道的導電能力迅速增大，在源漏電壓不變的情況下，源漏之間的電流迅速增大。電流迅速增大。轉移特性轉移特性固定源漏電壓固定源漏電壓VSD，源漏電，源漏電流流ID隨隨VG的變化關系，稱的變化關系，稱為為MOSFET的轉移特性。的轉移特性。輸出特性輸出特性VGSVT為參量，源漏電流為參

11、量，源漏電流ID隨隨VDS的變化關系，稱為的變化關系，稱為MOSFET的輸出特性。的輸出特性。VDS很小時（很小時（VT的條件下，越大，反型溝道中的載流子濃度越高，的條件下，越大，反型溝道中的載流子濃度越高，對應的源漏電流對應的源漏電流ID越大。越大。輸出特性輸出特性轉移特性轉移特性閾值電壓閾值電壓源漏飽和電壓源漏飽和電壓源漏擊穿電壓源漏擊穿電壓4.2.3 影響影響MOSFET閾值電壓的因素閾值電壓的因素1、對閾值電壓的理解、對閾值電壓的理解臨界強反型：反型層中的電子臨界強反型：反型層中的電子濃度與半導體體內多子濃度相等。濃度與半導體體內多子濃度相等。 即即s=2f ，半導體表面進入，半導體表

12、面進入臨界強反型狀態(tài)。臨界強反型狀態(tài)。當表面電子濃度與體內多子濃度當表面電子濃度與體內多子濃度相等時：相等時：Ei（體內）（體內）-EFs= EFs - Ei（表面）（表面）2、理想、理想MOSFET的閾值電壓的閾值電壓半導體耗盡層上的分壓：半導體耗盡層上的分壓：這部分電壓引起半導體這部分電壓引起半導體表面能帶彎曲。表面能帶彎曲。絕緣層上的分壓：絕緣層上的分壓：這部分電壓不能這部分電壓不能引起半導體表面引起半導體表面能帶彎曲。能帶彎曲。柵氧層的性質柵氧層的性質（氧化層的介電常數(shù)、（氧化層的介電常數(shù)、厚度、面積等）會影響閾值電壓的厚度、面積等）會影響閾值電壓的大小。大小。襯底的性質襯底的性質（摻

13、雜濃度、本征載流子（摻雜濃度、本征載流子濃度）會影響閾值電壓的大小；濃度）會影響閾值電壓的大小；3、金屬半導體功函數(shù)差對、金屬半導體功函數(shù)差對MOSFET閾值電壓的影響閾值電壓的影響實際情況下，金屬功函數(shù)與半導實際情況下，金屬功函數(shù)與半導體功函數(shù)會存在一定的差值。體功函數(shù)會存在一定的差值。實際情況下，在平衡態(tài)時，半實際情況下，在平衡態(tài)時，半導體表面能帶已經發(fā)生了彎曲。導體表面能帶已經發(fā)生了彎曲。實際情況下，在平衡態(tài)時，半實際情況下，在平衡態(tài)時，半導體表面能帶偏離了理想情況。導體表面能帶偏離了理想情況。通過外加電壓，恢復成理想情況通過外加電壓，恢復成理想情況能帶無彎曲（平帶）。能帶無彎曲（平帶）

14、。使能帶恢復為平帶的外加電壓使能帶恢復為平帶的外加電壓稱為平帶電壓。稱為平帶電壓。平帶電壓的大小等于金屬半導體的功函數(shù)差平帶電壓的大小等于金屬半導體的功函數(shù)差4、氧化層及界面電荷對、氧化層及界面電荷對MOSFET閾值電壓的影響閾值電壓的影響氧化層及界面電荷的存在會使半導體表面產生電氧化層及界面電荷的存在會使半導體表面產生電場，能帶發(fā)生彎曲，偏離理想情況。需要施加平場，能帶發(fā)生彎曲，偏離理想情況。需要施加平帶電壓，恢復成能帶無彎曲的情況。這種情況下，帶電壓，恢復成能帶無彎曲的情況。這種情況下，平帶電壓的大小與絕緣層中電荷數(shù)相關。平帶電壓的大小與絕緣層中電荷數(shù)相關。影響影響MOSFET閾值電壓的因

15、素主要有：閾值電壓的因素主要有：1、半導體襯底性質、半導體襯底性質摻雜濃度摻雜濃度NA、本征載流子濃度、本征載流子濃度ni；綜上綜上MOSFET閾值電壓的表達式：閾值電壓的表達式：2、絕緣層電容大小、絕緣層電容大小絕緣層介電常數(shù)、厚度、面積；絕緣層介電常數(shù)、厚度、面積；3、金屬半導體的功函數(shù)差；、金屬半導體的功函數(shù)差；4、絕緣層中電荷數(shù)量。、絕緣層中電荷數(shù)量。5、MOSFET的分類的分類n溝道、溝道、p溝道溝道導電溝道類型導電溝道類型增強型、耗盡型增強型、耗盡型柵壓為柵壓為0時，源漏是否導通時，源漏是否導通4.2.4 MOSFET的電流的電流-電壓關系電壓關系柵寬柵寬柵長柵長載流子的遷移率載流

16、子的遷移率絕緣層電容絕緣層電容LCWoxn22DSDSTGSDVVVVI非飽和區(qū)：非飽和區(qū)：飽和區(qū)：飽和區(qū)： 進入飽和區(qū)后，電流進入飽和區(qū)后，電流幾乎不再受源漏電壓的幾乎不再受源漏電壓的影響，在影響，在VGS一定值時，一定值時，漏極電流保持恒定。漏極電流保持恒定。 該電流值等于該電流值等于B點的電點的電流值流值.B點對應的源漏電壓點對應的源漏電壓即為源漏飽和電壓：即為源漏飽和電壓：TGSDsatVVV22DSDSTGSDVVVVI源漏飽和電壓源漏飽和電壓22TGSDsatVVI飽和區(qū)：飽和區(qū)：輸出特性曲線上，輸出特性曲線上，VDS=VGS-VT的曲線為臨界飽和線。的曲線為臨界飽和線。非飽和區(qū)：

17、非飽和區(qū)：22DSDSTGSDVVVVI22TGSDsatVVI飽和區(qū)：飽和區(qū)：跨導跨導跨導的大小反應柵壓對漏極電流的控制能力?？鐚г酱?，控制跨導的大小反應柵壓對漏極電流的控制能力?？鐚г酱螅刂颇芰υ綇?。能力越強。LCWoxn4.2.6 MOSFET的擊穿的擊穿1、柵介質的可靠性與柵介質的擊穿、柵介質的可靠性與柵介質的擊穿當柵壓過大時，柵介質會發(fā)生擊穿。若柵介質發(fā)生擊穿，當柵壓過大時，柵介質會發(fā)生擊穿。若柵介質發(fā)生擊穿，半導體表面的載流子會發(fā)生泄露，導電溝道消失。半導體表面的載流子會發(fā)生泄露，導電溝道消失。（a）三角形勢壘遂穿）三角形勢壘遂穿（b）直接遂穿）直接遂穿在大電場或大電流的作用在大

18、電場或大電流的作用下，柵介質中缺陷密度增下，柵介質中缺陷密度增加，形成導電通道，柵介加，形成導電通道，柵介質完全擊穿。質完全擊穿。2、源漏擊穿、源漏擊穿隨著源漏電壓的增大，導電溝道出現(xiàn)夾斷。電壓繼續(xù)增大，隨著源漏電壓的增大，導電溝道出現(xiàn)夾斷。電壓繼續(xù)增大，耗盡區(qū)的電場增強，引起雪崩擊穿，耗盡區(qū)的電場增強，引起雪崩擊穿，ID急劇增大。急劇增大。在曲率半徑大的區(qū)域，電場最強，該區(qū)域最容易發(fā)生雪崩擊在曲率半徑大的區(qū)域，電場最強，該區(qū)域最容易發(fā)生雪崩擊穿。穿。4.2.10 MOSFET的等比例縮小的等比例縮小1、理想、理想MOS管的能帶結構管的能帶結構平衡態(tài)平衡態(tài)非平衡態(tài)非平衡態(tài)外加電壓外加電壓能夠根

19、據(jù)非平衡態(tài)時能帶結構，判能夠根據(jù)非平衡態(tài)時能帶結構，判斷出半導體表面的狀態(tài)：積累、耗斷出半導體表面的狀態(tài)：積累、耗盡、反型（弱反型、臨界強反型）盡、反型（弱反型、臨界強反型）2、表面勢、表面勢理解表面勢的含義：理解表面勢的含義： 表征能帶彎曲程度表征能帶彎曲程度結合能帶圖，分析表面勢不同取值時，能帶彎曲的情況，結合能帶圖，分析表面勢不同取值時，能帶彎曲的情況，進而判斷進而判斷MOS管半導體表面狀態(tài)。管半導體表面狀態(tài)。3、MOSFET的工作原理的工作原理轉移特性轉移特性增強型增強型 n溝道溝道 MOSFET1、為什么柵極電壓要達到一定、為什么柵極電壓要達到一定值時，源漏才有電流流過？值時，源漏才有電流流過？2、源漏開始導通時，、源漏開始導通時，MOS結構結構中半導體表面處于哪種狀態(tài)？中半導體表面處于哪種狀態(tài)？輸出特性輸出特性源漏飽和電壓源漏飽和電壓VDsat漏端溝道夾斷漏端溝道夾斷TGSDsatVVV轉移特性轉移特性4、MOSFET的閾值電壓的閾值電壓閾值電壓閾值電壓影響閾值電壓的因素：影響閾值電壓的因素：非理想非理想MOS的能帶圖的能帶圖實際MOS管在平衡態(tài)時半導體側能帶會發(fā)生彎曲，這與理想MOS管在平衡態(tài)時的能帶有一定的區(qū)別，引起實際情況與理想