第6章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管.ppt

第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,30年代初,Lienfeld,和,Heil,提出表面场效应晶体管原理。,40年代末,Shockley,和,Pearson,进行深入研究。,1960年,Kahng,和,Alalla,应用热氧化硅结构制造出第一只,MOSFET,.,MOSFET,是大规模集成电路中的主流器件。,MOSFET,其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（,IGFET,）,金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（,MISFET,）,金属-氧化物-半导体晶体管（,MOST,）,6.1 理想,MOS,结构表面空间电荷区,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.1 理想,MOS,结构表面空间电荷区,理想,MOS,结构假设,（1）氧化物中或氧化物和半导体之间的界面不存在电荷。,（2）金属和半导体之间的功函数差为零,.,由假设（1）（2）无偏压时半导体能带平直,（3）二氧化硅层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。,由假设（,3,）,，即使有外加电压，在达到热平衡状态时，整个,表面空间电荷区中费米能级为常数，与体内费米能级相平,。,图6-2,b MOS,电容器结构和能带图,（,P192,）,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,图,6-3,加上电压 时,MOS,结构内的,电位分布,半导体表面空间电荷区,（,厚度,um,量级,P193,),在,MOS,电容两端加上电压，则半导体表面感应电荷为,Q,S,=-Q,M,。,金属的自由电子浓度很大，金属表面的空间电荷区局限于一个原子厚度。,半导体的载流子的浓度比金属中小，在半导体表面形成一个具有相当厚度的空间电荷区。,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,半导体表面空间电荷区（,P193,),每个极板上的感应电荷与电场之间关系,自由空间电容率 氧化物,相对,介电常数,半导体表面电场 半导体,相对,介电常数,空间电荷区在半导体内部边界亦即空间电荷区宽度,外加电压 为跨越氧化层电压 和表面势 所分摊,（6-2）,（6-1）,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,图,6-4,几种偏压情况的能带和电荷分布（,a,）,载流子,积累,、耗尽和反型,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,载流子积累、耗尽和反型,载流子积累,紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。,单位面积空间电荷,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,图,6-4,几种偏压情况的能带和电荷分布,（,b,）,小的 （,c,）,大的,载流子积累、,耗尽,和,反型,物理,PN,结场感应结,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,载流子耗尽,单位面积总电荷,载流子反型,载流子类型发生变化或者半导体的导电类型发生变化,（6-6）,（6-7）,（,6-5,）,载流子积累、耗尽和反型,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,6.1.3,反型和强反型条件,反型条件,强反型条件,（6-17）,（6-18）,图,6-5,强反型时的能带图,在外电场作用下，可以改变半导体的表面以内相当厚的一层中载流子的浓度和型号，从而可控制该层的导电能力和性质。,反型层称,导电沟道,，半导体表面场效应，,MOSFET,的物理基础。,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷,总表面空间电荷,（6-19）,（6-20）,（6-21）,（6-,22,）,反型和强反型条件,(,小结,8,),6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区 小结,理想,MOS,假设意义，即使外加电压表面空间电荷区也处热平衡状态，整个表面空间电荷区中费米能级为常数。,2.,偏压由氧化层和半导体承担,3.,根据电磁场边界条件，空间电荷与电场具有以下关系,4.,不同栅偏压使半导体表面出现,.,载流子积累、耗尽和反型的不同状态。,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,小结,5.,画能带图的依据,a.,据理想,MOS,假设，各种偏压下半导体的费米能级不变；,b.,半导体中性区的费米能级与金属费米能级分开，其差等 栅偏压,c.,偏压由氧化层和半导体承担,d.,真空能级连续，各能级与真空能级平行。,6.,体费米势,定义,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,小结,7.,反型和强反型条件,8.,强反型后，当偏压继续增加时，导带电子在很薄的强反型层中迅速增加，屏蔽了外电场。于是空间电荷区的势垒高度、表面势、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度基本上保持不变。,6.1 理想,MOS,结构的表面空间电荷区,教学要求,了解理想结构基本假设及其意义。,根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系,掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。,正确画流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况能带图。,导出反型和强反型条件,6.2 理想,MOS,电容器,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.2 理想,MOS,电容器,单位面积微分电容,MOS,系统电容,-,电压特性,:,微分电容,C,与偏压 关系,绝缘层单位面积上的电容,半导体表面空间电荷区单位面积电容,（6-22）,（6-23）,（6-24）,（6-25）,6.2 理想,MOS,电容器,（6-26）,（6-28）,（6-29）,系统归一化电容,图6-7,P,型半导体,MOS,的,C-V,特性,电容随偏压变化分成几个区域,6.2 理想,MOS,电容器,积累区（,P198,）,MOS,系统电容,C,基本等于绝缘体电容 。负偏压逐渐减少，空间电荷区积累空穴数随之减少，且 随 变化也逐渐减慢，变小。总电容,C,也就变小。,平带情况（,P199,）,（6-,40,）,6.2 理想,MOS,电容器,耗尽区（,P200,）,（6-43）6-42）,（6-44）,（6-5）,（6-6）,6.2 理想,MOS,电容器,归一化电容 随着外加偏压的增加而减小,反型区（,P201,小结,6,）,（6-45）,（6-46）,（6-47）,耗尽区,6.2 理想,MOS,电容器 小结,1.MOS,电容,:,氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联,.,2.,绝缘层单位面积电容,3.,导体表面空间电荷区单位面积电容,6.2 理想,MOS,电容器 小结,4.,归一化电容,5.,耗尽区,归一化,MOS,电容 随着外加偏压的增加而减小,6.,反型区,载流子数量变化主要依靠少子产生与复合,，这个过程快慢由少子寿命决定，归一化电容与测量信号的频率有关。,6.2 理想,MOS,电容器,教学要求,掌握理想系统电容,-,电压特性，对图,6.7,作出正确分析。,导出公式（645）、（6-46）。,6.3 沟道电导与阈值电压,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.3 沟道电导与阈值电压,一 沟道电导,为沟道中的电子浓度,为沟道宽度,反型层中单位面积总的电子电荷,沟道电导,（6-51）,（6-52）,（6-53）,6.3 沟道电导与阈值电压,二 阈值电压,定义为形成,强反型,所需要最小栅电压。,出现强反型,沟道电荷受到偏压控制,，这正是,MOSFET,工作的基础。,（6-51）,（6-5,4,）,6.3 沟道电导与阈值电压,二 阈值电压,定义为形成强反型所需要最小栅电压。,第一项表示形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷 ；,第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势 。,（6-5,5,）,6.3 沟道电导与阈值电压 小结,1.,沟道电导反映了导电沟道的导电能力，沟道电导与器件结构有关，与沟道内载流子迁移率和沟道电荷成正比。,2.,阈值电压,形成强反型时所需最小栅电压。第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。,6.3 沟道电导与阈值电压,教学要求,掌握概念：,沟道电导、阈值电压,导出沟道电导公式,（6-53）,导出阈值电压公式（6-54）,说明阈值电压的物理意义。,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,功函数差的影响,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,铝电极和,P,型硅衬底,铝的功函数比,P,型硅的小，铝的费米能级高。,功函数差,功函数不同，铝,-,二氧化硅,-P,型硅,MOS,系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面存在表面势 。因此，欲使能带平直，除去功函数差的影响，就必须在金属电极上加一负电压。,平带电压,（6-56）,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,（6-57）,在室温下，硅的修正功函数,起着有效电压的作用。,实际系统的电容,C,作为 的函数，与理想,MOS,系统,C,的作为 的函数，在形式上应该一样。,（6-57）,功函数差的影响,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,界面陷阱和氧化物电荷的影响,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,界面陷阱电荷（,interface trapped charge,）,硅（100）面约,硅（111,）,面约,氧化物固定电荷（,fixed oxide charge,）,位于界面约3,nm,的范围内，电荷固定，正的。,（,100,）面约为,（,111,）面约为,硅,MOSFET,一般采用（,100,）晶面,较低。,氧化物陷阱电荷（,oxide trapped charge,）,可低温退火消除,.,可动离子电荷（,mobile ionic charge,）,诸如钠离子和其它碱金属离子，高温和高压下工作时，能在氧化层内移动。,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,克服硅,-,二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响,平带电压,如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为,（6-58）,（6-59）,界面陷阱和氧化物电荷的影响,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,总平带电压,有效面电荷,实际硅二氧化硅系统,（6-64）,(6-61),(6-60),界面陷阱和氧化物电荷的影响,为方便，上述四种电荷通称氧化层电荷，记,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,实际的,MOS,阈值电压和,C-V,曲线（,P210,小结,5,),平带电压,阈值电压,第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；,第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；,第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压；,第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。,（6-65）,（6-66）,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,小结,1.,由于功函数差，,MOS,系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面就存在表面势,0,。因此，欲使能带平直，除去功函数差所带来影响，就必须在金属电极上加一负电压。,这个电压一部分用来拉平二氧化硅能带，一部分用来拉平半导体的能带，使 ,0,。因此称其为平带电压,.,2.,在二氧化硅、二氧化硅硅界面系统存在电荷：,界面陷阱电荷 氧化物固定电荷,氧化物陷阱电荷 可动离子电荷,综合看，可把它们看做位于二氧化硅硅界面正电荷。,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,小结,3.,克服二氧化硅内位于,x,处电荷片造成能带弯曲需平带电压,4.,如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为 ，总平带电压,5.,实现平带条件所需的偏压叫做平带电压,理想,MOS,的,C-V,曲线沿着电压轴平移可得实际的,C-V,曲线6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,小结,6.,实际,MOS,的阈值电压,第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；,第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；,第三项是支撑出现强反型时的体电荷,所需外加电压；,第四项是出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,教学要求,画出铝二氧化硅硅系统的能带图。,根据能带图说明,是否等于？,了解在,二氧化硅、二氧化硅硅界面系统存在的电荷及其主要性质。,6.4,实际,MOS,的电容,-,电压特性,教学要求,平带电压公式,掌握实际阈值电压的公式及各项的意义,理想,MOS C,V,曲线,沿电压轴平移可得实际,MOS C,V,曲线？,对于铝二氧化硅,P,型硅系统和铝二氧化硅,N,型硅系统分析式（6-66）各项的符号。,作业：,6.4,、,6.5,、,6.6,、,6.7,、,6.8,。,6.5,MOS,场效应晶体管,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.5,MOS,场效应晶体管,基本结构和工作过程,(,小结,1 2 3 4,),图6-15,MOSFET,的工作状态和输出特性：（,a）,低漏电压时,6.5,MOS,场效应晶体管,基本结构和工作过程,(,小结,1 2 3 4,),图6-15,MOSFET,的工作状态和输出特性：（,b）,开始饱和,6.5,MOS,场效应晶体管,基本结构和工作过程,(,小结,1 2 3 4,),图6-15,MOSFET,的工作状态和输出特性：（,c）,饱和之后,6.5,MOS,场效应晶体管,静态特性,图6-16,N,沟道,MOS,晶体管,6.5,MOS,场效应晶体管,分析中主要假设,：,（1）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；,（2）沟道内掺杂均匀；,（3）载流子在反型层内的迁移率为常数；,（4）长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电路是互相独立的。,静态特性,6.5,MOS,场效应晶体管,线性区,感应沟道电荷,漂移电子电流,萨支唐（,C.T.,Sah方程,（6-68）,（6-69）,（6-70）,（6-6,7,）,6.5,MOS,场效应晶体管,考虑到沟道电压的作用,6.5,MOS,场效应晶体管,所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义,图6-17 式（6-68）和式（6-70）的比较,6.5,MOS,场效应晶体管,饱和区,假设在,L,点发生夹断,此式在开始饱和时有效。超过这一点，漏极电流可看作是常数。所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。,（6-73）,（6-74）,6.5,MOS,场效应晶体管,图6-18,N,沟道,MOSFET,的电流,电压特性,N,沟道,MOSFET,的电流,电压特性,6.5,MOS,场效应晶体管,例题：采用6.4节例题中,MOS,结构,MOSFET。,已知参数,计算,解：,6.3节中,6.5,MOS,场效应晶体管 小结,当,MOSFET,栅极加上足够大的正电压,时，中间的,MOS,结构发生反型，在两个,区之间的,P,型半导体表面形成一个反型层。于是源和漏之间被能通过大电流的,N,型表面沟道连接在一起。改变栅电压可以调制这个沟道的电导（场效应）,从而调制沟道电流。,若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，漏电流,和漏电压,成正比。这是线性区。线性区,6.5,MOS,场效应晶体管 小结,3.,当漏电压增加时，由于从源到漏存在电压，因此，导电沟道从,逐渐变窄，致使,处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断。沟道夹断发生的地点叫夹断点。夹断以后，漏电流基本上保持不变，晶体管的这种工作状态称为饱和工作状态。,饱和条件,4.,夹断以后，随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度缩短，因此漏电流将增加从而呈现不饱和特性。这种现象叫做沟道长度调制效应。,6.5,MOS,场效应晶体管 小结,5.,萨支唐方程,6.,线性区电流,7.,饱和区电流,（6-70）,（6-7,1,）,（6-7,2,）,6.5,MOS,场效应晶体管,教学要求,画出结构示意图说明,MOS,场效应晶体管工作原理。,导出萨支唐方程,（6-70,）,导出漏电流修正为公式（6-72）,说明夹断条件的物理意义,导出饱和区,IV,特性公式（6-74）,作业：6.9、6.10、6.11,6.6 等效电路和频率响应,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.6 等效电路和频率响应,图6-20,MOS,晶体管的小信号等效电路。,MOSFET,的等效电路,6.6 等效电路和频率响应,小信号参数,1.线性导纳,线性区电阻,(,开态电阻或导通电阻,),（6-76）,（6-75）,（6-77）,6.6 等效电路和频率响应,图6-19,MOSFET,中沟道导纳与的对应关系,线性导纳,6.6 等效电路和频率响应,2.,跨导,线性区：,饱和区：,设 为常数成立，饱和区跨导表示式和线性区导纳相同,.,（6-79）,（6-78）,（6-80）,6.6 等效电路和频率响应,3.饱和区的漏极电阻,饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。,4.栅极电容,（6-,81,）,6.6 等效电路和频率响应,截止频率,定义为输出电流和输入电流之比为,1,时的频率，即当器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。,线性区,饱和区,为了提高工作频率或工作速度，,沟道长度要短,，载流子,迁移率要高,。,（6-82）,6.6 等效电路和频率响应,小结,漏极导纳也叫做线性导纳,(,饱和区漏电流不随漏电压变化,),。根据公式（,6-76,）可由电流,-,电压曲线测出漏极导纳，根据公式（,6-77,）可计算出漏极导纳。同样根据公式公式（,6-79,）、（,6-80,）和（,6-81,）可以分别测出和计算出跨导并将实验测量结果和计算结果比较。,栅极电容,为绝缘层电容。输入电压信号加在栅极电容上，,MOSFET,具有比,JFET,更高的输入阻抗。,6.6 等效电路和频率响应,小结,4.,最高工作频率频率,线性区,饱和区,为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高,。,（6-8,3b,）,（6-8,3a,）,6.6 等效电路和频率响应,教学要求,掌握交流小信号参数线性导纳、导通电阻、线性区跨导、饱和区跨导、饱和区的漏极电阻 栅极电容,画出交流等效电路图6-20,计算截止频率，提高工作频率或工作速度途径,作业：6.11、6.12,6.7,亚阈值区,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,当栅电压低于阈值电压，半导体表面仅仅只是弱反型时，相应的漏电流称为亚阈值电流。,在亚阈值区，,对漏电流起决定作用的是载流子扩散而不是漂移,。漏电流可以用推导均匀掺杂基区的双极晶体管集电极电流的相同方法导出,（6-8,6,）,6.7,亚阈值区,小结,3.,用做数字逻辑电路开关及存储器使用时，亚阈值区特别重要。这是因为亚阈值区描述了开关如何导通和截止。,4.,必须将,MOSFET,偏置在比,低,0.5V,（实例）或更低电压值，以使亚阈值区电流减小到可忽略。,6.7,亚阈值区,小结,6.8 场效应晶体管的类型,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.8 场效应晶体管的类型,按照反型层类型不同，,MOSFET,可分四种,N,沟,MOSFET：N,沟增强型,N,沟耗尽型,若在零栅压下沟道电导很小，栅极必须加上正偏压才能形成导电沟道，这种器件就是增强型,N,沟,MOSFET。,若在零偏压下已存在,N,型沟道，为了减小沟道电导，栅极必须加负偏压以耗尽沟道载流子，这样的器件是耗尽型,N,沟,MOSFET。,P,沟,MOSFET：P,沟增强型,P,沟耗尽型,6.8 场效应晶体管的类型,N,沟,MOSFET：N,沟增强型,N,沟耗尽型,增强型,N,沟器件，要使沟道通过一定的电流，正的栅偏置电压必须比阈值电压大。,耗尽型,N,沟器件，在零栅压时，沟道已可流过很大的电流，改变栅压可以增加或减小沟道电流。,P,沟,MOSFET：P,沟增强型,P,沟耗尽型,把电压的极性改变，关于,N,沟器件结论可以很容易地推广到,P,沟器件。,6.8 场效应晶体管的类型,表6.2四种器件的截面、输出特性和转移特性,6.8 场效应晶体管的类型,表6.2四种器件的截面、输出特性和转移特性,6.8 场效应晶体管的类型,小结,MOSFET,四种类型,:N,沟增强、,N,沟耗尽、,P,沟增强,P,沟耗尽,N,沟增强型,MOSFET,在零栅电压时不存在导电沟道，欲使器件导通需加正的栅偏压,使半导体表面反型。,N沟耗尽型,MOSFET,在零栅偏压时就存在导电沟道，欲使器件截止需加负的栅偏压,以耗尽沟道内的载流子。,P,沟增强型,MOSFET,在零栅电压时不存在导电沟道，欲使器件导通需加负的的栅偏压,使半导体表面反型。,N,沟耗尽型,MOSFET,在零栅偏压时就存在导电沟道，欲使器件截止需加负的栅偏压,以耗尽沟道内的载流子（见转移特性图）,6.9,影响阈值电压的其余因素,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.9,影响阈值电压的其余因素,小结,1.,阈值电压与,衬底掺杂浓度,和,氧化层厚度,有关，因此可以通过改变衬底掺杂浓度和氧化层厚度来控制阈值电压。,2.,衬底偏置也会影响阈值电压：,3.,只要考虑到,的改变，即使有衬底偏压的情况下，,6.5,和,6.6,节中推导的方程仍然有效。,（6-,91,）,6.10,器件尺寸比例,第六章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,6.10,器件尺寸比例,小结,1.,短沟道效应,a.,当,时，源和漏两个耗尽层连在一起，耗尽层穿通是对短沟道,MOSFET,工作主要限制。,b.,速度饱和，引起迁移率的下降。,c.,当速度出现饱和时，电流和跨导都显著地减小。此外使阈值电压发生改变。,6.10,器件尺寸比例,小结,2.,减小短沟道效应而能保持原来长沟道特性是器件小型化的目的。,a.,简单地将器件所有尺寸和电压同时缩小一个比例因子,，使内部电场和长沟道,MOSFET,的相同。带来的问题是电流密度也按比例因子倍增。,b.,用最小沟道长度表达（,6-102,）式来缩小器件尺寸是更方便的方法,.,