第十章MOSFET基礎(chǔ)(1)(MOS結(jié)構(gòu),CV特性)

1、20152015年年1111月月1 1第十章第十章 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)n10.110.1雙端結(jié)構(gòu)雙端結(jié)構(gòu)n10.210.2電容電壓特性電容電壓特性n10.310.3基本工作原理基本工作原理n10.410.4頻率限制特性頻率限制特性n10.510.5技術(shù)技術(shù)n11.611.6小結(jié)小結(jié)第十章第十章 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)本章概述本章概述nMOSFETMOSFET和其他電路元件結(jié)合能夠產(chǎn)生電壓增益和信號(hào)功率和其他電路元件結(jié)合能夠產(chǎn)生電壓增益和信號(hào)功率增益；增益；n因因MOSFETMOSFE

2、T尺寸小，因而被廣應(yīng)用于數(shù)字電路，尺寸小，因而被廣應(yīng)用于數(shù)字電路，MOSFETMOSFET是當(dāng)是當(dāng)今集成電路設(shè)計(jì)的核心；今集成電路設(shè)計(jì)的核心；nMOSMOS是指金屬是指金屬(metal)(metal)二氧化硅二氧化硅(SiO(SiO2 2) )硅硅(Si)(Si)系統(tǒng)，更一系統(tǒng)，更一般術(shù)語是金屬般術(shù)語是金屬絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MIS)(MIS)，絕緣體不一定是，絕緣體不一定是SiOSiO2 2，半導(dǎo)體不一定是，半導(dǎo)體不一定是SiSi；nMOSFETMOSFET的核心是的核心是MOSMOS電容的金屬電容的金屬- -氧化物氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。10.1 10.1 雙端雙端MOSMOS

3、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n10.1.1 10.1.1 能帶圖能帶圖n10.1.2 10.1.2 耗盡層厚度耗盡層厚度n10.1.3 10.1.3 功函數(shù)差功函數(shù)差n10.1.4 10.1.4 平帶電壓平帶電壓n10.1.5 10.1.5 閾值電壓閾值電壓n10.1.6 10.1.6 電荷分布電荷分布410.1 MOS10.1 MOS電容電容 MOSMOS電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)氧化層厚度氧化層厚度氧化層介電常數(shù)氧化層介電常數(shù)AlAl或高摻雜的或高摻雜的多晶多晶SiSin n型型SiSi或或p p型型SiSiSiO25實(shí)際的鋁線實(shí)際的鋁線- -氧化層氧化層- -半導(dǎo)體半導(dǎo)體（M:M:約約10000A O:250A S:

4、10000A O:250A S:約約0.51mm0.51mm）6 610.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯底型襯底(1)(1)負(fù)柵壓情形負(fù)柵壓情形導(dǎo)帶底能級(jí)導(dǎo)帶底能級(jí)禁帶中心能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)FSvFSvEEEE7 7 負(fù)電荷負(fù)電荷出現(xiàn)在金出現(xiàn)在金屬板上，因而產(chǎn)生了屬板上，因而產(chǎn)生了指向金屬板的電場，指向金屬板的電場，電場將半導(dǎo)體中的電場將半導(dǎo)體中的多多子空穴子空穴推向氧化物半推向氧化物半導(dǎo)體表面。導(dǎo)體表面。價(jià)帶邊緣更接近費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶邊緣更接近費(fèi)米能級(jí)10.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:p:p型襯

5、型襯底底(2)(2)( (反型層反型層+ +耗盡層耗盡層) )dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE8 8小的正小的正柵壓情柵壓情形形大的正大的正柵壓情柵壓情形形半導(dǎo)體中多子空穴被電場半導(dǎo)體中多子空穴被電場推離推離氧化氧化物物- -半導(dǎo)體界面半導(dǎo)體界面( (耗盡層耗盡層) )表面的本征費(fèi)米能級(jí)低于費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)帶比價(jià)帶表面的本征費(fèi)米能級(jí)低于費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)帶比價(jià)帶更接近費(fèi)米能級(jí)，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)更接近費(fèi)米能級(jí)，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)電子反型層電子反型層。10.1 MOS 10.1 MOS 電容電容 表面能帶圖表面能帶圖:n:n型襯底型襯底(1)(1)正柵壓情形正柵壓情形FScFSCEEEE9 9氧

6、化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體界面處的半導(dǎo)體界面處的半導(dǎo)體表面出現(xiàn)電子堆表面出現(xiàn)電子堆積層。積層。電場將半導(dǎo)體中的電子電場將半導(dǎo)體中的電子推向氧化物推向氧化物- -半導(dǎo)體的界半導(dǎo)體的界面。面。10.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面能帶圖表面能帶圖: :n n型襯底型襯底(2)(2)(耗盡層)n型(反型層+耗盡層)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10小的負(fù)小的負(fù)柵壓情柵壓情形形大的負(fù)大的負(fù)柵壓情柵壓情形形電場將半導(dǎo)體的電子電場將半導(dǎo)體的電子拉離拉離氧化氧化物物- -半導(dǎo)體界面半導(dǎo)體界面半導(dǎo)體本征費(fèi)米能級(jí)移至費(fèi)米能級(jí)上方，價(jià)帶比導(dǎo)帶半導(dǎo)體本征費(fèi)米能級(jí)移至費(fèi)米能級(jí)上方，價(jià)帶比導(dǎo)帶更

7、接近于費(fèi)米能級(jí)。半導(dǎo)體表面出現(xiàn)更接近于費(fèi)米能級(jí)。半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空穴反型層空穴反型層。小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容n10.1.1 10.1.1 能帶圖能帶圖n隨便畫能帶圖隨便畫能帶圖, ,要知道其半導(dǎo)體類型。要知道其半導(dǎo)體類型。n加什么電壓往那里彎曲？加什么電壓往那里彎曲？n結(jié)論：結(jié)論：（1 1）半導(dǎo)體為）半導(dǎo)體為p p型型時(shí)，柵極加大的時(shí)，柵極加大的正壓正壓時(shí)，可出現(xiàn)時(shí)，可出現(xiàn)n n型反型層型反型層；（2 2）半導(dǎo)體為）半導(dǎo)體為n n型型時(shí)，柵極加大的時(shí)，柵極加大的負(fù)壓負(fù)壓時(shí)，可出現(xiàn)時(shí)，可出現(xiàn)p p型反型層型反型層； “同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引”。（3 3）不論

8、半導(dǎo)體是）不論半導(dǎo)體是p p型還是型還是n n型，型， 柵極加?xùn)艠O加負(fù)壓負(fù)壓，半導(dǎo)體表面的能帶，半導(dǎo)體表面的能帶向上彎曲（抬頭）；向上彎曲（抬頭）； 柵極加?xùn)艠O加正壓正壓，半導(dǎo)體表面的能帶，半導(dǎo)體表面的能帶向下彎曲（低頭）。向下彎曲（低頭）。111111.1 MOS11.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :表面耗盡情形表面耗盡情形費(fèi)米勢費(fèi)米勢表面勢表面勢 ：是：是半導(dǎo)體體內(nèi)與表半導(dǎo)體體內(nèi)與表面之間的勢壘高面之間的勢壘高度；度；是橫跨空間是橫跨空間電荷層的電勢差電荷層的電勢差。 表面空間電表面空間電荷區(qū)寬度荷區(qū)寬度s半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)與禁帶中心能級(jí)級(jí)與禁帶中心能

9、級(jí)之差的電勢表示之差的電勢表示采用單邊突變結(jié)的采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似耗盡層近似P P型襯底型襯底1212P181P181P P如何推出？如何推出？10.1 MOS10.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :表面反型情形表面反型情形閾值反型點(diǎn)閾值反型點(diǎn)條件：條件：表面處表面處的電子濃度的電子濃度= =體內(nèi)體內(nèi)的空穴濃度的空穴濃度表面空間電荷表面空間電荷區(qū)厚度區(qū)厚度P P型襯底型襯底表面表面電子電子濃度濃度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT體內(nèi)體內(nèi)空穴空穴濃度：濃度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp柵電壓柵電壓= =閾值電

10、壓閾值電壓表面空間電荷區(qū)表面空間電荷區(qū)厚度達(dá)到最大值厚度達(dá)到最大值1313P322P322例例11.111.110.1 MOS10.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度:n:n型襯底情形型襯底情形閾值反型點(diǎn)閾值反型點(diǎn)條件：表面勢條件：表面勢=費(fèi)米勢的費(fèi)米勢的2 2倍，表面處的空穴濃度倍，表面處的空穴濃度=體內(nèi)的電子濃度，體內(nèi)的電子濃度，此時(shí)所加的電壓稱為此時(shí)所加的電壓稱為閾值電壓閾值電壓（即柵電壓（即柵電壓=閾值電壓）。閾值電壓）。表面空間電荷表面空間電荷區(qū)寬度區(qū)寬度表面勢表面勢n n型襯底型襯底1410.1 MOS10.1 MOS電容電容 空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度: :與摻雜

11、濃度的關(guān)系與摻雜濃度的關(guān)系實(shí)際器件實(shí)際器件參數(shù)區(qū)間參數(shù)區(qū)間15小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容n10.1.2 10.1.2 耗盡層厚度耗盡層厚度n耗盡情況耗盡情況n反型情況反型情況n會(huì)算其厚度會(huì)算其厚度n了解閾值反型點(diǎn)條件了解閾值反型點(diǎn)條件n常用器件摻雜范圍常用器件摻雜范圍1610.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差:MOS:MOS接觸前的能帶圖接觸前的能帶圖金屬的金屬的功函數(shù)功函數(shù)金屬的費(fèi)米能級(jí)金屬的費(fèi)米能級(jí)二氧化硅的二氧化硅的禁帶寬度禁帶寬度二氧化硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能硅的電子親和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（電勢表示）差金屬與

12、半導(dǎo)體的功函數(shù)0mFmmWEEe金屬的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)絕緣體不允許電荷在金屬和半導(dǎo)體之間進(jìn)行交換絕緣體不允許電荷在金屬和半導(dǎo)體之間進(jìn)行交換1710.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差:MOS:MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖結(jié)構(gòu)的能帶圖條件：零柵壓，條件：零柵壓， 熱平衡熱平衡零柵壓下氧化物零柵壓下氧化物二側(cè)的電勢差二側(cè)的電勢差修正的金屬修正的金屬功函數(shù)功函數(shù)零柵壓下半導(dǎo)體的零柵壓下半導(dǎo)體的表面勢表面勢修正的硅的電子修正的硅的電子親和能親和能二氧化硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能1810.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差: :計(jì)算公式計(jì)算公式00 ()2()gms

13、mfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 內(nèi)建電勢差：內(nèi)建電勢差：ms功函數(shù)差功函數(shù)差1910.1 MOS10.1 MOS電容電容 功函數(shù)差功函數(shù)差:n:n摻雜多晶硅柵摻雜多晶硅柵(P-Si)(P-Si)00MOSFETMOSFET為為增強(qiáng)型增強(qiáng)型V VG G=0=0時(shí)未反型，加有時(shí)未反型，加有正柵壓時(shí)才反型正柵壓時(shí)才反型V VTNTN00MOSFETMOSFET為為耗盡型耗盡型V VG G=0=0時(shí)已反型，加有時(shí)已反型，加有負(fù)柵壓后

14、才能脫離負(fù)柵壓后才能脫離反型反型P P型襯底型襯底MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)29為了得到增強(qiáng)型的器件，為了得到增強(qiáng)型的器件，p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體必須被一定程度地重?fù)诫s必須被一定程度地重?fù)诫s。10.1 MOS電容 閾值電壓閾值電壓:n:n型襯底情形型襯底情形02|2|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQCQV30)2(fpgmmseEoxssmsFBCQV/費(fèi)米勢費(fèi)米勢表面耗盡層最大厚度表面耗盡層最大厚度單位面積表面耗盡層電荷單位面積表面耗盡層電荷oxoxoxtC/dTaSDxeNQ |max單位面積柵氧化層電容單位面積柵氧化層電容平帶電壓平帶電壓閾值電壓閾值電壓10.

15、1 MOS10.1 MOS電容電容 n n型襯底與型襯底與p p型襯底的比較型襯底的比較dTdSDxeNQ |max)2(fngmmseEp p型襯底型襯底MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n n型襯底型襯底MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)oxoxoxtC/oxssmsFBCQV/閾值電壓典型值閾值電壓典型值金屬金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差半導(dǎo)體功函數(shù)差3110.1 MOS10.1 MOS電容電容 10.1.610.1.6表面反型層電子密度與表面勢的關(guān)系表面反型層電子密度與表面勢的關(guān)系316316cm101V695. 02V347. 0K300cm103sfpsfpanTN反型實(shí)例：32)exp(2kTeNnnsais 表面處

16、的電子濃度隨著表面勢的增加而增表面處的電子濃度隨著表面勢的增加而增大，表面勢的很小改變就可以使電子濃度迅大，表面勢的很小改變就可以使電子濃度迅速增加，此時(shí)空間電荷匹寬度達(dá)到最大值。速增加，此時(shí)空間電荷匹寬度達(dá)到最大值。10.1 MOS10.1 MOS電容電容 表面空間電荷層電荷與表面勢的關(guān)系表面空間電荷層電荷與表面勢的關(guān)系半導(dǎo)體表面狀態(tài)的變化時(shí)襯底型GSVSip堆積堆積平帶平帶耗盡耗盡弱反型弱反型強(qiáng)反型強(qiáng)反型33小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容n10.1.6 10.1.6 電荷分布電荷分布n分布圖分布圖n10.1.5 10.1.5 閾值電壓閾值電壓n概念概念n電中性條件電中性條件n與誰有關(guān)與誰有關(guān)? ?如何理

17、解如何理解? ?nN N型型P P型及摻雜的關(guān)系型及摻雜的關(guān)系3510.210.2節(jié)內(nèi)容節(jié)內(nèi)容n理想情況理想情況C-VC-V特性特性n頻率特性頻率特性n氧化層電荷及界面態(tài)的影響氧化層電荷及界面態(tài)的影響n實(shí)例實(shí)例3610.2 C-V10.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性？特性？)(VfdVdQC平帶平帶電容電容- -電壓特性電壓特性3710.2 C-V10.2 C-V特性特性 堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)加負(fù)柵壓，加負(fù)柵壓，堆積層堆積層電荷能夠跟得上電荷能夠跟得上柵壓的變化，相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電柵壓的變化，相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容容oxoxoxtCC)acc( 平帶平帶本征本征38柵氧化層?xùn)叛趸瘜?/p>

18、電容：電容：10.2 C-V10.2 C-V特性特性 平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓V VFBFB，使，使半導(dǎo)體表面能帶無彎曲半導(dǎo)體表面能帶無彎曲asoxoxoxoxFBeNekTttC平帶平帶本征本征3910.2 C-V10.2 C-V特性特性 耗盡（耗盡（Deplete)Deplete)狀態(tài)狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容平帶平帶本本征征C相當(dāng)與相當(dāng)與Cox與與C sd串聯(lián)串聯(lián)min(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep( CxVdG4010.2 C

19、-V10.2 C-V特性特性 強(qiáng)反型狀態(tài)強(qiáng)反型狀態(tài)( (低頻低頻) )加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層電荷跟得上柵壓的變化電荷跟得上柵壓的變化平帶平帶本征本征oxoxoxtCC)inv( 4110.2 C-V10.2 C-V特性特性 n n型與型與p p型的比較型的比較p p型襯底型襯底MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n n型襯底型襯底MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)42負(fù)偏柵壓時(shí)為堆積模式，負(fù)偏柵壓時(shí)為堆積模式，正偏柵壓時(shí)為反型模式。正偏柵壓時(shí)為反型模式。正偏柵壓時(shí)為堆積模式，正偏柵壓時(shí)為堆積模式，負(fù)偏柵壓時(shí)為反型模式。負(fù)偏柵壓時(shí)為反型模式。10.2 C-V10.2 C-V特性特

20、性 11.2.211.2.2反型狀態(tài)反型狀態(tài)( (高頻高頻) )dToxoxoxoxxttCCmin)dep( )inv( 加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓變化較快，反型層電荷跟不上柵壓的變化，只變化較快，反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗盡層電容對(duì)有耗盡層電容對(duì)C C有貢獻(xiàn)。此時(shí)，耗盡層寬度有貢獻(xiàn)。此時(shí)，耗盡層寬度乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。MHz1fHz1005f柵壓頻率的影響柵壓頻率的影響43小節(jié)內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容n理想情況理想情況CVCV特性特性nCVCV特性概念特性概念n堆積平帶耗盡反型下的概念

21、堆積平帶耗盡反型下的概念n堆積平帶耗盡反型下的計(jì)算堆積平帶耗盡反型下的計(jì)算n頻率特性頻率特性n高低頻情況圖形及解釋高低頻情況圖形及解釋4410.2.310.2.3固定柵氧化層電荷和界面電荷效應(yīng)固定柵氧化層電荷和界面電荷效應(yīng)n對(duì)對(duì)MOSMOS的的C-VC-V的影響主要有兩種：的影響主要有兩種：（1 1）固定柵氧化層電荷）固定柵氧化層電荷（2 2）氧化層）氧化層- -半導(dǎo)體界面電荷半導(dǎo)體界面電荷 10.2 C-V10.2 C-V特性特性 氧化層電荷的影響氧化層電荷的影響曲線左移，反之右移VCVQFBss例圖例圖: :如果如果QssQss均為正電荷均為正電荷, ,需需要額外犧牲負(fù)電荷來中和界要額外犧

22、牲負(fù)電荷來中和界面的正電面的正電, ,所以平帶電壓更負(fù)所以平帶電壓更負(fù)- - - - - + ssFBmsoxQVC平帶電壓4610.2 C-V10.2 C-V特性特性 界面陷阱的分類界面陷阱的分類被電子占據(jù)（在被電子占據(jù)（在E EFSFS之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在E EFSFS之上）為中性之上）為中性被電子占據(jù)（在被電子占據(jù)（在E EFSFS之下）為中性，不被電子占據(jù)（在之下）為中性，不被電子占據(jù)（在E EFSFS之上）帶正電之上）帶正電（界面陷阱）（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)電受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)電正常情況熱平衡不帶電正常情況熱平衡不帶電施主態(tài)容易放出電子帶正電施主態(tài)容易放出電子帶正電圖圖11.32 11.32 氧化層界面處界面態(tài)示意圖氧化層界面處界面