半導(dǎo)體課件第六章

1、第六章第六章 金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)半導(dǎo)體場(chǎng) 效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（1 1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。（2 2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-26-2b b中的情形。中的情形。由于假設(shè)（由于假設(shè)（1 1）、（）、（2 2），），在在無(wú)偏壓時(shí)半導(dǎo)體能

2、帶是平直的。無(wú)偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。（3 3） 層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過(guò)。因此，即使有外加電壓，表面空層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過(guò)。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。這些間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實(shí)際的假設(shè)在以后將被取消而接近實(shí)際的MOSMOS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 2SiO6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū) ：每個(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿足如下關(guān)系每個(gè)極板上的感

3、應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿足如下關(guān)系 （6-16-1） 式中式中 = =自由空間的電容率自由空間的電容率 = =氧化物的相對(duì)介電常數(shù)氧化物的相對(duì)介電常數(shù) = =半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)半導(dǎo)體表面的電場(chǎng) = =半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù) =空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度?？臻g電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度。外加電壓外加電壓 為跨越氧化層的電壓為跨越氧化層的電壓 和表面勢(shì)和表面勢(shì) 所分?jǐn)偅核謹(jǐn)偅?00kSSkdxGV0VSSGVV0（6-26-2）SSSMkkQQ00006.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖圖6-3 加上電壓加上電壓

4、 時(shí)時(shí)MOSMOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布GV6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 根據(jù)所加?xùn)艠O的極性和大小，可能出現(xiàn)三種不同表面情況：載流子積累、耗根據(jù)所加?xùn)艠O的極性和大小，可能出現(xiàn)三種不同表面情況：載流子積累、耗盡和反型盡和反型載流子積累：載流子積累：緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱為緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱為載流子積累現(xiàn)象。載流子積累現(xiàn)象。 單位面積下的空間電荷單位面積下的空間電荷00 ( )dxsQqp xp dx6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的

5、表面空間電荷區(qū) 圖圖6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布幾種偏壓情況的能帶和電荷分布6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 載流子耗盡載流子耗盡單位面積下的總電荷為單位面積下的總電荷為 式中式中 為耗盡層寬度。為耗盡層寬度。 daBSxqNQQ（6-66-6）022sdaSkxqN 21dSxxx（6-76-7）dx（6-56-5）6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 6.1.36.1.3反型和強(qiáng)反型條件反型和強(qiáng)反型條件載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說(shuō)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象。載流子反型：載流子類型發(fā)

6、生變化的現(xiàn)象或者說(shuō)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象。導(dǎo)出導(dǎo)出MOSFET反型和強(qiáng)反型條件反型和強(qiáng)反型條件反型條件反型條件: : 強(qiáng)反型條件強(qiáng)反型條件: :式中式中 為出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)。為出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)。（6-176-17）（6-186-18）fsfsi2Si6.2 6.2 理想理想MOSMOS電容器電容器6.2 6.2 理想理想MOSMOS電容器電容器 系統(tǒng)單位面積的微分電容系統(tǒng)單位面積的微分電容微分電容微分電容C與外加偏壓與外加偏壓 的關(guān)系稱為的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容系統(tǒng)的電容電壓特性。電壓特性。 若令若令（6-226-22）GMdVdQC GVMsMMGdQddQdVdQdVC0

7、1（6-236-23）00dVdQCM（6-246-24）SSSMSddQddQC（6-256-25）6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 則則 = =絕緣層單位面積上的電容，絕緣層單位面積上的電容， = =半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。 稱為系統(tǒng)的歸一化電容。稱為系統(tǒng)的歸一化電容。 （6-266-26）（6-286-28）（6-296-29）SCCC11100CSCSCCCC00110CC00000 xkdVdQCM6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變化大致情況如圖將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變化大致情況如

8、圖6-7所示。所示。 圖圖6-7 6-7 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體MOSMOS的的C-VC-V特性特性 解釋出現(xiàn)反型層以后的電容C與測(cè)量頻率有關(guān)的現(xiàn)象。答：所謂電容與測(cè)量頻率有關(guān)，就是與交變信號(hào)電壓的頻率有關(guān)。在出現(xiàn)反型層以后，特別是在接近強(qiáng)反型時(shí)，表面電荷由兩部分所組成：一部分是反型層中的電子電荷 ，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗盡層中的電離受主電荷 ，它是由于多子空穴的喪失引起的。IQBQBIsQQQ（6-21） 表面電容 為 考慮 是怎樣積累起來(lái)的。例如，當(dāng)MOS上的電壓增加時(shí)，反型層中的電子數(shù)目要增多。P型襯底中的電子是少子，由襯底流到表面的電子非常少，因此，反型層中電子數(shù)目的增多

9、，主要依靠耗盡層中電子空穴對(duì)的產(chǎn)生。在反型層中實(shí)現(xiàn)電子的積累是需要一個(gè)過(guò)程的。這個(gè)過(guò)程的弛豫時(shí)間由非平衡載流子的壽命所決定，一般比較長(zhǎng)。同樣，當(dāng)MOS上的電壓減小時(shí)，反型層中的電子要減少。電子數(shù)目的減少主要依靠電子和空穴在耗盡層中的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如果測(cè)量電容的信號(hào)頻率比較高，耗盡層中電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程跟不上信號(hào)的變化，那么，反型層中的電子電荷 也就來(lái)不及改變。于是，SCSSsddQCSBSIddQddQ（6-47） IQIQ 這樣在高頻情況下， 隨著直流偏壓 的增加， 增大，電容C減小。當(dāng)表面形成了強(qiáng)反型層時(shí)，強(qiáng)反型層中的電子電荷隨直流偏壓的增加而e指數(shù)地增加，對(duì)直流偏置電場(chǎng)起屏蔽作用

10、。于是，耗盡層寬度不再改變，達(dá)到極大值 。這時(shí)，MOS系統(tǒng)的電容C要達(dá)到極小值 。 在接近強(qiáng)反型區(qū)，如果測(cè)量電容的信號(hào)頻率比較低，耗盡層中電子空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程能夠跟得上信號(hào)的變化，這時(shí)，反型層中的電子電荷的變化，屏蔽了信號(hào)電場(chǎng)， 對(duì)表面電容的貢獻(xiàn)是主要的，而耗盡層的寬度和電荷基本上不變，因此0SIddQdsSBsxkddQC0GVdxdmxminCsIddQ0SBddQ在這種情況下，表面電容由反型層中電子電荷的變化所決定 在形成強(qiáng)反型以后， 隨 變化很快， 的數(shù)值很大。于是，MOS 系統(tǒng)的電容C趨近 ，即隨著 的增加，C經(jīng)過(guò)一個(gè)極小值，而后迅速增大，最后趨近于 。以上說(shuō)明了MOS系統(tǒng)的C

11、-V關(guān)系隨測(cè)量頻率變化的原因。SIsddQCIQSsC0C10CC（6-50） GV0C6.3 6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓6.3 6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓 一一 溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo)式中式中 為溝道中的電子濃度。為溝道中的電子濃度。 為溝道寬度。為溝道寬度。 即為反型層中單位面積下的總的電子電荷即為反型層中單位面積下的總的電子電荷溝道電導(dǎo)為溝道電導(dǎo)為 （6-516-51） dxxnqLZgIxnII0 0IxIIqnx dxQ （6-526-52）InIQLZg（6-536-53） xnIIx6.36.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓二二 閾值電壓閾值電

12、壓 ：定義為形成強(qiáng)反型所需要的最小柵電壓。定義為形成強(qiáng)反型所需要的最小柵電壓。當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí) 溝道電荷受到偏壓溝道電荷受到偏壓 控制，這正是控制，這正是MOSFETMOSFET工作的基礎(chǔ)。工作的基礎(chǔ)。閾值電壓：閾值電壓： 第一項(xiàng)表示在形成強(qiáng)反型時(shí)，要用一部分電壓去支撐空間電荷第一項(xiàng)表示在形成強(qiáng)反型時(shí)，要用一部分電壓去支撐空間電荷 ；第二項(xiàng)表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需要的表面勢(shì)第二項(xiàng)表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需要的表面勢(shì) 。 （6-516-51）（6-56-54 4）（6-56-55 5）THVSiBIGCQCQV00THGSiBGIVV

13、CCQVCQ000GVSiBTHCQV0SiBQ6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容電壓特性的電容電壓特性6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 實(shí)際的實(shí)際的MOS閾值電壓和閾值電壓和C-V曲線曲線平帶電壓平帶電壓閾值電壓閾值電壓 第一項(xiàng)是，為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對(duì)于半導(dǎo)體所需第一項(xiàng)是，為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對(duì)于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；要加的外加電壓； 第二項(xiàng)是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加第二項(xiàng)是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；的外加電壓

14、； 第三項(xiàng)是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的體電荷第三項(xiàng)是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的體電荷 所需要的外加電壓；所需要的外加電壓； 第四項(xiàng)是開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，半導(dǎo)體表面所需的表面勢(shì)。第四項(xiàng)是開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，半導(dǎo)體表面所需的表面勢(shì)。 0021CQVVVmsGGFBSiBmsCQCQSiCBQFBVTHV0000（6-656-65）（6-666-66）BQ6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 溝道長(zhǎng)度為溝道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，溝道寬度為，溝道寬度為Z圖圖6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（

15、的工作狀態(tài)和輸出特性：（a a）低漏電壓時(shí)低漏電壓時(shí) 襯底p 小DV S N N LGVTHV 溝道 耗盡區(qū) DV DI （a） y （a） 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 圖圖6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（b b）開(kāi)始飽和開(kāi)始飽和 DsatDVV S N N GVTHV 耗盡區(qū) 夾斷點(diǎn)（P） DV DI （b） DsatI DsatV （b） 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 圖圖6-15 6-15 MOSFETM

16、OSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（c c）飽和之后飽和之后 DsatV S N N GVTHV 耗盡區(qū) （P） DV LDV DI （c） y （c） 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 線性區(qū)線性區(qū) 在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：（1）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；（2）溝道內(nèi)摻雜均勻；）溝道內(nèi)摻雜均勻；（3）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；（4）長(zhǎng)溝道近似和漸近溝道近似，）長(zhǎng)溝道近似和漸近溝道近似， 即假設(shè)垂直電場(chǎng)和

17、水平電場(chǎng)是互相獨(dú)立的。即假設(shè)垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)是互相獨(dú)立的。圖圖6-16 6-16 N N溝道溝道MOSMOS晶體管晶體管 襯底p DV S N N GV dQ V dVV Al Al Al 2SiO x y 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)晶體管 線性區(qū)線性區(qū) y y處建立起電位處建立起電位V(y)V(y)，因而感應(yīng)溝道電荷修正為，因而感應(yīng)溝道電荷修正為 （6-676-67）漂移電子電流漂移電子電流 兩邊積分得兩邊積分得 （6-70）式稱為薩支唐（）式稱為薩支唐（C.T. Sah）方程。方程。 yVVVCQTHGI0dydVQZIyyInD/,式中dVVVVCZdyITHGnD0220

18、DDTHGnDVVVVLZCI（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 飽和區(qū)飽和區(qū) 假設(shè)在假設(shè)在L L點(diǎn)發(fā)生夾斷，點(diǎn)發(fā)生夾斷， 則則 把式（把式（6-736-73）代入式（）代入式（6-706-70）得）得 此式在開(kāi)始飽和時(shí)是有效的。超過(guò)這一點(diǎn)，漏極電流可看作是常數(shù)。此式在開(kāi)始飽和時(shí)是有效的。超過(guò)這一點(diǎn)，漏極電流可看作是常數(shù)。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒(méi)有物理意義。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒(méi)有物理意義。 00yVVVCQTHGI DSatTHGVVVLV（6-736-73）（6-746-74）202THGnDSatVVLZ

19、CI6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 截止區(qū)：截止區(qū)： 若柵電壓小于閾值電壓，不會(huì)形成反型層。若柵電壓小于閾值電壓，不會(huì)形成反型層。結(jié)果是，結(jié)果是，MOSFETMOSFET象是背對(duì)背連接的兩個(gè)象是背對(duì)背連接的兩個(gè)P-NP-N結(jié)一結(jié)一樣，相互阻擋任何一方的電流流過(guò)。晶體管在樣，相互阻擋任何一方的電流流過(guò)。晶體管在這一工作區(qū)域與開(kāi)路相似。這一工作區(qū)域與開(kāi)路相似。6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng)6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) MOSFET等效電路中所涉及的小信號(hào)參數(shù)如下：等效電路中所涉及的小信號(hào)參數(shù)如下：1.1.線性導(dǎo)納線性導(dǎo)納 對(duì)式（對(duì)

20、式（6-706-70）求導(dǎo)數(shù)）求導(dǎo)數(shù) 線性區(qū)的電阻，稱為開(kāi)態(tài)電阻，或?qū)娮瑁捎孟率奖硎揪€性區(qū)的電阻，稱為開(kāi)態(tài)電阻，或?qū)娮瑁捎孟率奖硎?（6-766-76）（6-756-75）dg常數(shù)GVDDdVIgTHGnDTHGndVVLZCVVVLZCg00THGndonVVZCLgR01（6-776-77）6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 跨導(dǎo)跨導(dǎo) 線性區(qū)：對(duì)線性區(qū)：對(duì)式（式（6-706-70）求導(dǎo)）求導(dǎo)飽和區(qū)：對(duì)式（飽和區(qū)：對(duì)式（6-746-74）求導(dǎo)）求導(dǎo) 在假設(shè)在假設(shè) 為常數(shù)時(shí)，飽和區(qū)跨導(dǎo)為常數(shù)時(shí)，飽和區(qū)跨導(dǎo) 的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納 的相同的相同提高提高gm的具體措施有：（的具體措施有：（1）增大載流子遷移率，選用體內(nèi)遷移率高的材料；（）增大載流子遷移率，選用體內(nèi)遷移率高的材料；（2）減）減小柵氧化層厚度，制作高質(zhì)量的盡可能薄的柵氧化層；（小柵氧化層厚度，制作高質(zhì)量的盡可能薄的柵氧化層；（3）增大器件的寬長(zhǎng)比；）增大器件的寬長(zhǎng)比；（4）減小器件的串聯(lián)電阻。）減小器件的