第6章 MOSFET及相關(guān)器件02

第6章MOSFET及相關(guān)器件半導(dǎo)體器件物理SemiconductorPhysicsandDevices第6章MOSFET及相關(guān)器件1金屬-SiO2-Si被廣泛研究。SiO2-Si系統(tǒng)電特性近似于理想MOS二極管。但一般qms≠0，且在氧化層內(nèi)或SiO2-Si界面處存在不同電荷，將以各種方式影響理想MOS特性。一、功函數(shù)差對(duì)于一有固定qm的金屬，其與半導(dǎo)體功函數(shù)qs的差qms=q(m-s)會(huì)隨半導(dǎo)體摻雜濃度而改變，如右圖。隨電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，ms可能會(huì)有超過(guò)2V的變化。6.1.2SiO2-SiMOS二極管第6章MOSFET及相關(guān)器件2考慮一在獨(dú)立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體間的氧化層夾心結(jié)構(gòu)，如圖(a)。獨(dú)立狀態(tài)下，所有能帶均保持水平，即平帶狀況。當(dāng)三者結(jié)合，熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí)必為定值，且真空能級(jí)必為連續(xù)，為調(diào)節(jié)功函數(shù)差，半導(dǎo)體能帶需向下彎曲，如圖(b)。熱平衡，金屬含正電荷，而半導(dǎo)體表面為負(fù)電荷。為達(dá)到平帶狀況，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)差qms的電壓，對(duì)應(yīng)圖(a)；此處在金屬外加的負(fù)電壓VFB=ms，稱(chēng)為平帶電壓。第6章MOSFET及相關(guān)器件3MOSFET有許多種縮寫(xiě)形式，如IGFET、MISFET、MOST等。n溝道MOSFET的透視圖如圖所示，四端點(diǎn)器件。氧化層上方金屬為柵極，高摻雜或結(jié)合金屬硅化物的多晶硅可作柵極，第四個(gè)端點(diǎn)為一連接至襯底的歐姆接觸?；镜钠骷?shù)：溝道長(zhǎng)度L（為兩個(gè)n+-p冶金結(jié)之間的距離）、溝道寬度Z、氧化層厚度d、結(jié)深度rj以及襯底摻雜濃度NA。6.2MOSFET基本原理2SiOL+n+njrZdp襯底z)(yEy)(xEx源極柵極漏極2SiOL+n+njrZdp襯底襯底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源極柵極漏極器件中央部分即為MOS二極管第6章MOSFET及相關(guān)器件4MOSFET中源極為電壓參考點(diǎn)。當(dāng)柵極無(wú)外加偏壓時(shí)，源、漏電極間可視為兩個(gè)背對(duì)背相接的p-n結(jié)，而由源極流向漏極的電流只有反向漏電流。6.2.1基本特性外加一足夠大正電壓于柵極，MOS結(jié)構(gòu)將被反型，兩個(gè)n+區(qū)間形成表面反型層（溝道）。源、漏極通過(guò)這一n型溝道連接，允許大電流流過(guò)。溝道電導(dǎo)可通過(guò)柵極電壓來(lái)調(diào)節(jié)。襯底可連接至參考電壓或相對(duì)于源極的反向偏壓，襯底偏壓亦會(huì)影響溝道電導(dǎo)。2SiOL+n+njrZdp襯底z)(yEy)(xEx源極柵極漏極2SiOL+n+njrZdp襯底襯底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源極柵極漏極第6章MOSFET及相關(guān)器件5當(dāng)柵極上施加一偏壓，并在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生強(qiáng)反型。若在漏極加一小量電壓，電子將會(huì)由源極經(jīng)溝道流向漏極（電流流向相反）。因此，溝道的作用就如同電阻一般，漏極電流ID與漏極電壓成比例，如圖(a)右側(cè)直線(xiàn)所示的線(xiàn)性區(qū)。線(xiàn)性區(qū)與飽和區(qū)第6章MOSFET及相關(guān)器件6半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)，溝道呈電阻特性，當(dāng)漏-源電流通過(guò)溝道電阻時(shí)將在其上產(chǎn)生電壓降。忽略其它電阻，漏端相當(dāng)于源端的溝道電壓降就等于VDS。溝道存在壓降，柵絕緣層上有效壓降從源端到漏端逐漸減小。當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加，直到達(dá)到VDsat，靠近y=L處的反型層厚度xi→0，此處稱(chēng)為夾斷點(diǎn)P，如圖(b)。VDsat稱(chēng)為飽和電壓。第6章MOSFET及相關(guān)器件7溝道被夾斷后，若VG不變，則當(dāng)VDS持續(xù)增加時(shí)，VDS-VDsat降落在漏端附近的夾斷區(qū)，夾斷區(qū)隨VDS的增大而展寬，夾斷點(diǎn)P隨之向源端移動(dòng)。P點(diǎn)電壓保持VDsat，反型層內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)而反型載流子數(shù)減少，二者共同作用的結(jié)果是單位時(shí)間流到P點(diǎn)的載流子數(shù)即電流不變。載流子漂移到P點(diǎn)，被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成漏源電流，該電流不隨VDS變化（達(dá)到飽和）。此為飽和區(qū)，如圖(c)。VDS過(guò)大，漏端p-n結(jié)會(huì)發(fā)生反向擊穿。第6章MOSFET及相關(guān)器件8類(lèi)型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開(kāi)溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開(kāi)溝耗盡型+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI類(lèi)型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開(kāi)溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開(kāi)溝耗盡型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0TnVDITpV0GVDI+-TpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+0TnVDIGV-+