物理半導(dǎo)體器件物理PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1物理半導(dǎo)體器件物理物理半導(dǎo)體器件物理理想理想MOS二極管二極管MOS二極管在半導(dǎo)體器件物理中的重要地位 便于研究半導(dǎo)體表面特性 是先進(jìn)IC中最重要的MOSFET器件的樞紐 可作為儲(chǔ)存電容器，并且是電荷耦合器件(CCD)的基本組成部分當(dāng)金屬板相對(duì)于歐姆接觸為正偏壓時(shí)，V0；當(dāng)金屬板相對(duì)于歐姆接觸為負(fù)偏壓時(shí)，V0 半導(dǎo)體金屬絕緣體V半導(dǎo)體金屬絕緣體V二極管的透視圖MOS)(aAld0 x歐姆接觸2SiOAld0 x歐姆接觸2SiO二極管的剖面圖MOS)b(圖 5. 1半導(dǎo)體金屬絕緣體V半導(dǎo)體金屬絕緣體V二極管的透視圖MOS)(aAld0 x歐姆接觸2SiOAld0 x歐姆接觸2SiO二極管

2、的剖面圖MOS)b(圖 5. 1MOSMOS二極管二極管第1頁/共71頁功函數(shù)(金屬:qm;半導(dǎo)體:qs)為費(fèi)米能級(jí)與真空能級(jí)之間的能量差；q為電子親和力，即半導(dǎo)體中導(dǎo)帶邊緣與真空能級(jí)的差值；qB為費(fèi)米能級(jí)EF與本征費(fèi)米能級(jí)Ei的能級(jí)差 理想理想MOS二極管定義：二極管定義： (1)在V=0時(shí)，金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差為零(EF半導(dǎo)體=EF金屬 ，qms= 0 ) ，能帶是平的 (稱為平帶狀況) 真空能級(jí)mqsq金屬型半導(dǎo)體Pd氧化層FEFEVEiECE2/gEBqq圖 5. 2 V=0 時(shí)理想 MOS二極管的能帶圖0)2()(BgmsmmsqEqqqqq(2)在V0時(shí)，二極管中的電荷僅位于半導(dǎo)體

3、之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等，但極性相反；(3)在直流偏壓下，無載流子通過氧化層，亦即R氧化層 = 。MOSMOS二極管二極管V=0時(shí)，理想p型MOS二極管的能帶圖第2頁/共71頁在SiO2-Si界面處產(chǎn)生空穴堆積，稱為積累現(xiàn)象積累現(xiàn)象。此時(shí)，|Qm| = Qs 當(dāng)一理想MOS二極管偏壓V 0時(shí)，半導(dǎo)體表面可能會(huì)出現(xiàn)三種狀況以p型半導(dǎo)體為例：(1) 當(dāng)V 0 且較小時(shí)，半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲，使表面EF = Ei，形成多數(shù)載流子(空穴)耗盡，稱為耗盡現(xiàn)象耗盡現(xiàn)象。此時(shí)， np = pp = ni ， Qsc= qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度 (3) 當(dāng)V 0 且較大時(shí)，

4、能帶向下彎曲更嚴(yán)重使表面Ei ni 而 pp 空穴，使表面載流子呈現(xiàn)反型，稱為反型現(xiàn)象反型現(xiàn)象 第4頁/共71頁反型現(xiàn)象分為：弱反型 和 強(qiáng)反型 當(dāng) ni np NA 時(shí)，處于強(qiáng)反型。發(fā)生強(qiáng)反型后：(1) 反型層的寬度 xi 1nm 10nm，且xi 0在半導(dǎo)體表面= s 0 ，s稱為表面電勢表面載流子密度為： kTqnnBsis(expkTqnpsBis)(expMOSMOS二極管二極管FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層第6頁/共71頁

5、對(duì)表面電勢可以區(qū)分為以下幾種情況： ss0：空穴耗盡(能帶向下彎曲)； s=B： 禁帶中心，即nspsni(本征濃度)； sB： 反型(能帶向下彎曲超過費(fèi)米能級(jí))電勢為距離的函數(shù)，可由一維的泊松方程式求得為 ssxdxd)(22其中s(x)為位于x處的單位體積電荷密度，而s為介電常數(shù) MOSMOS二極管二極管FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層第7頁/共71頁耗盡近似法進(jìn)行分析：當(dāng)半導(dǎo)體耗盡區(qū)寬度達(dá)到W時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電荷為s= -qNAW，

6、積分泊松方程式可得距離x的函數(shù)的表面耗盡區(qū)的靜電勢分布： 表面電勢s為 此電勢分布與單邊的n+-p結(jié)相同。 21WxssAsWqN22當(dāng)s=B時(shí)， nspsni ，可看作表面開始發(fā)生反型當(dāng)sB時(shí)， ns ps ，表面處于反型當(dāng)sB 多大程度時(shí)，表面處于強(qiáng)反型狀態(tài)，還需要一個(gè)準(zhǔn)則MOSMOS二極管二極管FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq)0(SSqix半導(dǎo)體氧化層第8頁/共71頁設(shè)定表面電荷等于襯底雜質(zhì)濃度是一個(gè)簡單的準(zhǔn)則，即ns=NA.可得可見：需要1B ，將表面的

7、能帶彎曲至本征的條件(Ei=EF)，開始發(fā)生反型需要2B，才能將表面的能帶彎曲至強(qiáng)反型的狀態(tài) ns=NAkTqnNBiAexpiABsnNqkTinvln22)( 當(dāng)表面為強(qiáng)反型時(shí)，表面的耗盡區(qū)寬度達(dá)到最大值即當(dāng)s=s(inv)= 2B時(shí)，可得到表面耗盡區(qū)的最大寬度Wm ABsAssmqNqNinvW)2(2)(2sAsWqN22FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq) 0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq) 0(SSqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEBqq) 0(SSqix半導(dǎo)體氧化層MOSMOS二極管二極管kTqnnBsis)(expAiAsmNqnN

8、kTW2)/ln(2)2(2BAsmAscNqWqNQ第9頁/共71頁 由公式可以看出， Wm與半導(dǎo)體材料的種類、雜質(zhì)的摻雜濃度具有函數(shù)關(guān)系。硅和砷化鎵中Wm與雜質(zhì)濃度的關(guān)系如圖，且p型半導(dǎo)體中NB等于NA，n型半導(dǎo)體中NB等于ND。 MOSMOS二極管二極管SiGaAs1410151016101710181001. 01 . 017103Bcm/N雜質(zhì)濃度最大耗盡區(qū)寬度m/mmWAiAsmNqnNkTW2)/ln(2第10頁/共71頁其中E0為氧化層中的電場，Qs為半導(dǎo)體中每單位面積的電荷量，而C0=ox/d為每單位面積的氧化層電容其相對(duì)應(yīng)的靜電勢分布如圖(d)所示 二、理想二、理想MOS曲

9、線曲線在 qms= 0 時(shí)，外加的電壓部分降落在氧化層，部分降落在半導(dǎo)體，因此 其中Vo為降落在氧化層上的電壓，且由圖(c)可得 soVVOsoxsOoCQdQdEVFEVEiECEoqV0VsqBq中性區(qū)耗盡區(qū)反型區(qū)ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性區(qū)耗盡區(qū)反型區(qū)ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性區(qū)耗盡區(qū)反型區(qū)ixFE二極管的能帶圖理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時(shí)的電荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型時(shí)的電荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ電場分布)(

10、cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(xEooxSEQooxSEQ電場分布)(cd0WxVoVS)(x電勢分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x電勢分布)(d圖 5. 6MOSMOS二極管二極管第11頁/共71頁由上式和 MOS二極管的總電容C是由氧化層電容C0與半導(dǎo)體中的勢壘電容Cj相互串聯(lián)而成，如圖。 其中Cj=s/W，也和突變p-n結(jié)一樣 )/(2cmFCCCCCjojoTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插圖為串聯(lián)的電容器部分圖，虛線顯示其近似高頻VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 .

11、 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d圖的頻率效應(yīng)VCb)(圖 5.7可以消去W而得到電容的公式為 sAsWqN22soVVOsoxsOoCQdQdEV)/(211222cmFdqNVCCsAoxoMOSMOS二極管二極管第12頁/共71頁當(dāng)強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)，表面耗盡區(qū)寬度達(dá)到最大Wm，表面電勢達(dá)到s(inv)，且注意每單位面積的電荷為qNAWm

12、，可得在強(qiáng)反型剛發(fā)生時(shí)的金屬平行板電壓，稱為閾值電壓： 可見，V 0，且當(dāng)表面開始耗盡時(shí)，產(chǎn)生空間電荷區(qū)，形成勢壘電容Cj ，C與V成反比當(dāng)V 0， n型襯底的VT 0 MOSMOS二極管二極管第14頁/共71頁當(dāng)測量頻率足夠低時(shí)，使得表面耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生-復(fù)合率與電壓變化率相當(dāng)或是更快時(shí)，電子濃度(少數(shù)載流子)與反型層中的電荷可以跟隨交流的信號(hào)因此導(dǎo)致強(qiáng)反型時(shí)的電容只有氧化層電容C0總電容的測量當(dāng)測量頻率相當(dāng)高時(shí)，才會(huì)在金屬平行板上施加的測量電壓發(fā)生變化過程中，所有增加的電荷出現(xiàn)在耗盡區(qū)的邊緣，測得準(zhǔn)確的CminTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoC

13、jCdoCjC0VV /插圖為串聯(lián)的電容器部分圖，虛線顯示其近似高頻VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d圖的頻率效應(yīng)VCb)(圖 5.7MOSMOS二極管二極管右圖為在不同頻率下所測得的MOS的C-V曲線，低頻的曲線發(fā)生在100Hz 時(shí)第15頁/共71頁解：例2：一理想MOS二極管的NA=1

14、017cm-3且d=5nm，試計(jì)算其C-V曲線中的最小電容值SiO2的相對(duì)介電常數(shù)為3.9。 272714/1090. 6/1051085. 89 . 3cmFcmFdCoxocmcmNqnNkTWAiAsm517199171421010106 . 11065. 910ln026. 01085. 89 .112)/ln(225714min/1019 .11/9 . 31051085. 89 . 3)/(cmFWdCmsoxox）（在VT時(shí)的最小電容Cmin 28/101 . 9cmF因此Cmin約為C0的13MOSMOS二極管二極管第16頁/共71頁 對(duì)所有的MOS二極管而言，金屬-SiO2-

15、Si為最受廣泛研究SiO2-Si系統(tǒng)的電特性近似于理想的MOS二極管 實(shí)際的金屬電極，功函數(shù)差一般不為零(EF Si EF金屬，qms 0 ) ，而且在氧化層內(nèi)部或SiO2-Si界面處存在的不同電荷，使熱平衡時(shí)的能帶不是平的 (不是平帶狀況) 一、功函數(shù)差一、功函數(shù)差 qms= q (m- s)金屬電極種類不同， qm不同。金屬種類一定時(shí)，qms還會(huì)隨著半導(dǎo)體的摻雜濃度而改變。 SiO2-Si MOS二極管二極管 （實(shí)際（實(shí)際MOS二極管）二極管）0 . 02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 12 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 1131014101

16、610151017101810)Sin(p多晶)Sip(p多晶)Sin(n多晶)Sip(n多晶)Sin(Al)Sip(Al3Bcm/N圖 5. 8 鋁、及多晶硅柵極材料的功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)pn圖 5. 8 鋁、及多晶硅柵極材料的功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)pnV/msMOSMOS二極管二極管隨著電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，qms可能會(huì)有超過2V的變化第17頁/共71頁 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)。在此獨(dú)立狀態(tài)下，所有的能帶均保持水平，即平帶狀況當(dāng)三者結(jié)合在一起，在熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí) = 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

17、彎曲，如圖(b)因此在熱平衡狀態(tài)下，金屬含正電荷，而半導(dǎo)體表面則為負(fù)電荷為達(dá)到理想平帶狀況，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)差qms的電壓，此對(duì)應(yīng)至圖(a)的狀況，在此需在金屬外加一負(fù)電壓VFB=ms，此電壓稱為平帶電壓平帶電壓 2SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真空能級(jí)mqSqCEFEVEVEFE真空能級(jí)間夾氧化物的能帶圖獨(dú)立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體)(a二極管的能帶圖熱平衡下的MOS)(b圖 5. 92SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真空能級(jí)mqSqCEFEVEVEFE真空能級(jí)真空能級(jí)間夾氧化物的能帶圖獨(dú)立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體)(a二極管的能帶圖熱平衡下的MOS)(b圖 5. 92SiOV

18、ESipVECEFEFEmqSqCE真空能級(jí)mqSqCEFEVEVEFE真空能級(jí)間夾氧化物的能帶圖獨(dú)立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體)(a二極管的能帶圖熱平衡下的MOS)(b圖 5. 92SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真空能級(jí)mqSqCEFEVEVEFE真空能級(jí)真空能級(jí)間夾氧化物的能帶圖獨(dú)立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體)(a二極管的能帶圖熱平衡下的MOS)(b圖 5. 9MOSMOS二極管二極管第18頁/共71頁 MOS二極管還受氧化層內(nèi)的電荷以及SiO2-Si界面陷阱的影響這些基本的陷阱與電荷的類型包括：界面陷阱電荷、氧化層固 定 電 荷 ( f i x e d o x i d e charge)、氧化

19、層陷阱電荷以及可動(dòng)離子電荷 二、界面陷阱與氧化層電荷二、界面陷阱與氧化層電荷 ：MOSMOS二極管二極管aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷第19頁/共71頁 (1) 界面陷阱電荷Qit是由SiO2-Si界面特性所造成，且與界面處的化學(xué)鍵有關(guān)這些陷阱位于SiO2-Si界面處，而其能量則位于硅的禁帶中。這些界面陷阱密度(即每單位面積與單位電子伏特的界面陷阱數(shù)目)與晶體方向有關(guān)在100方向，其界面陷阱密度約比111方

20、向少一個(gè)數(shù)量級(jí).目前在硅基上采用熱氧化生成二氧化硅的MOS二極管中所產(chǎn)生的大部分界面陷阱，可用低溫450的氫退火加以鈍化在100方向的Qit/q值可以小于1010cm-2,大約為每105個(gè)表面原子會(huì)存在一個(gè)界面陷阱電荷.在111方向的硅襯底中,Qit/q約為1011cm-2 MOSMOS二極管二極管aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷第20頁/共71頁 (2) 氧化層固定電荷Qf位于距離SiO2-Si界面約3nm

21、處此電荷固定不動(dòng)，且即使表面電勢有大范圍的變化仍不會(huì)有充放電現(xiàn)象發(fā)生一般來說，Qf為正值，且與氧化、退火的條件以及硅的晶體方向有關(guān)一般認(rèn)為當(dāng)氧化停止時(shí)，一些離子化的硅留在界面處，而這些離子與表面未完全成鍵的硅結(jié)合(如Si-Si或Si-O鍵)，可能導(dǎo)致正的界面電荷Qf產(chǎn)生 Qf可視為是SiO2-Si界面處的片電荷層對(duì)小心呵護(hù)處理的SiO2-Si界面系統(tǒng)而言，其氧化層固定電荷量在方向表面約為1010cm-2，而在方向表面約為51010cm-2由于方向具有較低的Qit與Qf，所以常用硅基MOSFET MOSMOS二極管二極管aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬

22、2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷第21頁/共71頁 (3) 氧化層陷阱電荷Qot常隨著二氧化硅的缺陷產(chǎn)生，這些電荷可由如X光輻射或是高能量電子轟擊而產(chǎn)生這些陷阱分布于氧化層內(nèi)部，大部分與工藝有關(guān)的Qot可以低溫退火加以去除 ( 4 ) 鈉或其他堿金屬離子的可動(dòng)離子電荷Qm，在高溫(如大于100)或強(qiáng)電場的工作條件下，可在氧化層內(nèi)移動(dòng) 在高偏壓及高溫的工作環(huán)境下，由堿金屬離子所造成的污染，可能會(huì)引發(fā)半導(dǎo)體器件穩(wěn)定度的問題在這些情況之下，可動(dòng)離子電荷可以在氧化層內(nèi)來回地移動(dòng)，并使得C-V

23、曲線沿著電壓軸產(chǎn)生位移因此，在器件制作的過程中需特別注意以消除可動(dòng)離子電荷 MOSMOS二極管二極管aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷aNK可動(dòng)離子電荷)(mQ)(otQ電荷氧化層陷阱)(fQ氧化層固定電荷金屬2SiOSi)(itQ界面陷阱電荷第22頁/共71頁 下面將估算上述電荷對(duì)平帶電壓所產(chǎn)生的影響考慮如圖中位于每單位面積氧化層內(nèi)固定電荷的正片電荷Qo，如圖上半部所示，這些正的片電荷將在金屬與半導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)一些負(fù)電荷對(duì)泊松方程式做一次積分，可以得到電場的分布情形，如圖下半部所示此處我們假設(shè)沒有功函數(shù)差，即qms=0。

24、 0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSix0E0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平帶條件下)(b圖 5. 11 氧化層中片電荷的影響0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSix0Ex0E0 xx0E0EFBV0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平帶條件下)(b圖 5. 11 氧化層中片電荷的影響MOSMOS二極管二極管第23頁/共71頁 為達(dá)到平帶狀態(tài)(即半導(dǎo)體內(nèi)無感應(yīng)電荷)，必須在金屬上施加一負(fù)電壓，如圖所示當(dāng)負(fù)電壓增加時(shí)，金屬獲得更多的負(fù)電荷，因此電場向下偏移，直到半導(dǎo)體表面的電場

25、為零在此條件之下，電場分布的面積即為平帶電壓VFB： dCxQxQxEVOOOooxOOOFB 因此，平帶電壓與片電荷密度Qo及其在氧化層中的位置xo有關(guān)當(dāng)片電荷非常靠近金屬時(shí)，即xo =0，則將無法在硅基中感應(yīng)電荷，且不會(huì)對(duì)平帶電壓造成影響。反之，當(dāng)片電荷非?？拷雽?dǎo)體時(shí)，即xo =d，就如同氧化層固定電荷一般，將具有最大的影響力，并將平帶電壓提升為 0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSix0E0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平帶條件下)(b圖 5. 11 氧化層中片電荷的影響0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 x

26、dSi0s氧化層0Qx0 xdSix0Ex0E0 xx0E0EFBV0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平帶條件下)(b圖 5. 11 氧化層中片電荷的影響0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSix0E0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平帶條件下)(b圖 5. 11 氧化層中片電荷的影響0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s金屬氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSi0s氧化層0Qx0 xdSix0Ex0E0 xx0E0EFBV0 xx0E0EFBV情形下0V)(Ga平帶條件下)(b圖 5. 11 氧化層中片電荷的影響0000CQdCdQVFBMOSMO

27、S二極管二極管第24頁/共71頁 對(duì)一般任意分布于氧化層中的空間電荷而言，平帶電壓可表示為 其中(x)為氧化層中的體電荷密度倘若知道氧化層陷阱電荷的體電荷密度ot(x) ，以及可動(dòng)離子電荷的體電荷密度m(x) ，就可以得到Qot與Qm以及它們對(duì)于平帶電壓的貢獻(xiàn)： dFBdxxxdCV00)(11dxxxdQdtt000)(1dxxmxdQdm0)(1假使功函數(shù)差qms的值不為零，且若界面陷阱電荷的值可以忽略不計(jì)，由實(shí)驗(yàn)測得的電容-電壓曲線將會(huì)從理想的理論曲線平移一個(gè)數(shù)值， OotmfmsFBCQQQVMOSMOS二極管二極管第25頁/共71頁 圖中(a)為一理想MOS二極管的C-V特性.由于受

28、非零值的qms、Qf、Qm與Qot的影響，C-V曲線將平行偏移平移的C-V曲線如圖中(b)所示此外若存有大量的界面陷阱電荷，這些位于界面陷阱處的電荷將隨表面電勢而變，C-V曲線會(huì)隨其表面電勢的變化而改變，因此由于界面陷阱電荷， C-V曲線變?yōu)閳D中(c)所示， C-V曲線不但會(huì)扭曲變形，而且會(huì)產(chǎn)生偏移 MOSMOS二極管二極管)(a)(b)(c0VV05 . 00 . 1)(a)(b)(c0VV05 . 00 . 1C-V0/CC0/CC第26頁/共71頁例3：試計(jì)算一NA1017cm-3及d=5nm的n+多晶硅-SiO2-Si二極管的平帶電壓假設(shè)Qt與Qm在氧化層中可被忽略，且Qf/q為5l0

29、11cm-2 解：由圖可知，在NA=1017cm-3時(shí)，對(duì)n+多晶硅系統(tǒng)而言，其ms為-0.98eV，且0 . 02 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 12 . 04 . 06 . 08 . 00 . 12 . 1131014101610151017101810)Sin(p多晶)Sip(p多晶)Sin(n多晶)Sip(n多晶)Sin(Al)Sip(Al3Bcm/N圖 5. 8 鋁、及多晶硅柵極材料的功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)pn圖 5. 8 鋁、及多晶硅柵極材料的功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)pnV/ms272714/1090. 6/1051085. 89 . 3cmFcm

30、FdCoxo00CQQQVtmfmsFBVVV10. 1109 . 6105106 . 198. 071119所以MOSMOS二極管二極管第27頁/共71頁例4：假設(shè)在氧化層中的氧化層陷阱電荷Qot的單位體積電荷密度ot(y)為一個(gè)三角形分布，此分布情形可用(1018-51023x)cm-3函數(shù)加以描述，其中x為所在位置與金屬-氧化層界面間的距離氧化層厚度為20nm.試計(jì)算因Qot所造成的平帶電壓的變化量 解：由得到dFBdxxxdCV00)(11dxxxdQdtt000)(161020)(1dxxxddCQVotoxOotFBV362326181419)102(10531)102(10211

31、085. 89 . 3106 . 1V31. 0和MOSMOS二極管二極管第28頁/共71頁 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)如圖所示，其器件是由覆蓋于半導(dǎo)體襯底上的連續(xù)絕緣層(氧化層)上的緊密排列的MOS二極管陣列所組成CCD可以實(shí)現(xiàn)包含影像感測以及信號(hào)處理等廣泛的電子功能CCD的工作原理牽涉到電荷儲(chǔ)存以及由柵極電壓控制的輸運(yùn)行為圖中顯示對(duì)CCD施加一足夠大的正偏壓脈沖于所有的電極之上，以使其表面發(fā)生耗盡電荷耦合器件電荷耦合器件 (CCD)一較高的偏壓施加于中央的電極上，使中央的MOS結(jié)構(gòu)有較深的耗盡區(qū)，并形成一電勢阱亦即由于中央電極下方較深的耗盡層而產(chǎn)生一個(gè)中央呈深階狀的電勢分布此時(shí)所感應(yīng)生成的少數(shù)載流

32、子(電子)，則會(huì)被收集至這個(gè)電勢阱中。2)(高壓加于a2SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO輸運(yùn)加更高電壓，以使電荷3)(b圖 5. 13三相電荷耦合器件的剖面圖2)(高壓加于a2SiOSipV51V102V532)(高壓加于a2SiOSipV51V102V532SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO輸運(yùn)加更高電壓，以使電荷3)(bSipV51V102V1532SiOSipV51V102V1532SiO輸運(yùn)加更高電壓，以使電荷3)(b圖 5. 13三相電荷耦合器件的剖面圖MOSMOS二極管二極管第29頁/共71頁 假使右側(cè)電極上的電

33、壓增加到超過中央電極的電壓時(shí)，我們可以得到如圖(b)所示的電勢分布。在此情況之下，少數(shù)載流子將由中央電極轉(zhuǎn)移至右側(cè)電極。隨后，電極的電勢可重新調(diào)整，使得靜止的儲(chǔ)存狀態(tài)位于右側(cè)的電極由這一連串連續(xù)的過程，我們可以成功地沿著一線性陣列傳送載流子 電荷耦合器件電荷耦合器件 (CCD)MOSMOS二極管二極管2)(高壓加于a2SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO輸運(yùn)加更高電壓，以使電荷3)(b2)(高壓加于a2SiOSipV51V102V532)(高壓加于a2SiOSipV51V102V532SiOSipV51V102V53SipV51V102V1532SiO輸運(yùn)加更高

34、電壓，以使電荷3)(bSipV51V102V1532SiOSipV51V102V1532SiO輸運(yùn)加更高電壓，以使電荷3)(b第30頁/共71頁MOSFET有許多種縮寫形式，如IGFET、MISFET、MOST等MOSFET為四端點(diǎn)器件，n溝道MOSFET的透視圖如圖所示由一個(gè)有兩個(gè)n+區(qū)域(即源極與漏極)的p型半導(dǎo)體所組成 氧化層上方的金屬稱為柵極(gate)，高摻雜或結(jié)合金屬硅化物的多晶硅可作為柵極電極，第四個(gè)端點(diǎn)為一連接至襯底的歐姆接觸(p溝道MOSFET的源漏區(qū)分？)基本的器件參數(shù)有溝道長度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.

35、 器件中央部分即為MOS二極管 MOSFETMOSFET基本原理基本原理2SiOLnnjrZdp襯底z)(yEy)(xEx源極柵極漏極2SiOLnnjrZdp襯底襯底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源極柵極漏極第31頁/共71頁MOSFET中源極接地點(diǎn)作為電壓的參考點(diǎn)當(dāng)柵極無外加偏壓時(shí)(VG=0)，源極到漏極電極之間可視為兩個(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MOSFET的基本特性的基本特性 當(dāng)外加一足夠大的正電壓于柵極上時(shí)(VG 0,且VG VT) ，MOS結(jié)構(gòu)將被強(qiáng)反型，以致于在兩個(gè)n+型區(qū)域之間形成表面反型層即溝道源極與漏極通過這一導(dǎo)電的表面n型溝道相

36、互連結(jié)，并可允許大電流流過溝道的電導(dǎo)可通過柵極電壓的變化來改變溝道中載流子的濃度加以調(diào)節(jié)襯底接點(diǎn)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)調(diào)節(jié)VT的大小而影響溝道電導(dǎo) MOSFETMOSFET基本原理基本原理L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDV低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)DIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDVL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI

37、L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDVDIDV低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)DIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)DIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0DIDV0過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性第32頁/共71頁 前提： VG VT 若在漏

38、極加一小量電壓VD較小 ，電子將會(huì)由源極經(jīng)溝道流向漏極(對(duì)應(yīng)電流為由漏極流向源極)因此，溝道的作用就如同電阻一般，漏極電流ID與漏極電壓VD成比例，此即如圖(a)右側(cè)恒定電阻直線所示的線性區(qū)線性區(qū)一、輸出特性一、輸出特性（通過溝道電導(dǎo)來推導(dǎo)）（通過溝道電導(dǎo)來推導(dǎo)） ：L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDV低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)DIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VD

39、IDIDVL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDVDIDV低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)DIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)DIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0DIDV0過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V

40、特性MOSFETMOSFET基本原理基本原理溝道呈現(xiàn)電阻特性，當(dāng)漏-源電流通過溝道電阻時(shí)將在其上產(chǎn)生電壓降。溝道上存在的電壓降，使柵絕緣層上的有效電壓降從源端到漏端逐漸減小，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型層厚度不相等，因而導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不相等。第33頁/共71頁 當(dāng)VD持續(xù)增加，直到漏端絕緣層上的有效電壓VT時(shí)，在靠近y=L處的反型層厚度xi0，此處稱為夾斷點(diǎn)P，此時(shí)的漏-源電壓稱為飽和電壓VDsat。L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLp過

41、飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的I-V 特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLp過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的I-V 特性DIDVDIDVDIDVDIDVD

42、IDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV0當(dāng)VDVDsat超過夾斷點(diǎn)后，漏極的電流量IDsat基本上維持不變，因?yàn)楫?dāng)時(shí)，在P點(diǎn)的電壓VDsat保持固定MOSFETMOSFET基本原理基本原理第34頁/共71頁 溝道被夾斷后，若VG不變，則當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加時(shí)，超過夾斷點(diǎn)電壓VDsat的那部分即VDS-VDsat將降落在漏端附近的夾斷區(qū)上，因而夾斷區(qū)將隨VDS的增大而展寬，夾斷點(diǎn)P隨之向源端移動(dòng)，但由于P點(diǎn)的電壓保持為VDsat不變，反型層內(nèi)電場增強(qiáng)而同時(shí)反型載流子數(shù)減少，二者共同

43、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。一旦載流子漂移到P點(diǎn)，將立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場掃入漏區(qū)，形成漏源電流，而且該電流不隨VDS的增大而變化，即達(dá)到飽和。此即為飽和區(qū)，飽和區(qū)，如圖(c)所示L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLp過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)(a點(diǎn)為夾斷點(diǎn)進(jìn)入飽和

44、區(qū)，p)(bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點(diǎn)nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLp過飽和)(c圖 5. 15 MOSFET 工作方式及其輸出的 I-V 特性DIDVDIDVDIDVDIDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV0MOSFETMOSFET基本原理基本原理當(dāng)然，如果VDS過大，漏

45、端p-n結(jié)會(huì)發(fā)生反向擊穿。第35頁/共71頁為推導(dǎo)出基本的MOSFET特性，將基于下列的理想條件： (1)柵極結(jié)構(gòu)如理想MOS二極管，即無界面陷阱、固定氧化層電荷或功函數(shù)差； (2)僅考慮漂移電流； (3)反型層中載流子的遷移率為固定值； (4)溝道內(nèi)雜質(zhì)濃度為均勻分布； (5)反向漏電流可忽略； (6)溝道中由柵極電壓所產(chǎn)生的垂直于ID電流方向的電場遠(yuǎn)大于由漏極電壓所產(chǎn)生的平行于ID電流方向的電場 最后的一個(gè)條件稱為緩變溝道近似法，通?？蛇m用于長溝道的MOSFET中，基于此種近似法，襯底表面耗盡區(qū)中所包含的電荷量僅由柵極電壓產(chǎn)生的電場感應(yīng)所生成 MOSFETMOSFET基本原理基本原理第36

46、頁/共71頁 圖(a)為工作于線性區(qū)的MOSFET根據(jù)上述的理想條件，如圖(b)所示，在半導(dǎo)體中距離源極長度為y處的每單位面積所感應(yīng)的電荷，其為圖(a)中間的放大部分，由式可得 單位面積感應(yīng)電荷量QSDInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū)DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū))(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c圖 5.16 (a) MOSFET工作與線性區(qū)(b) 溝道的放大圖(c) 沿溝道的漏極壓降soVVOsoxsOoCQdQdEV和 0)()(CyVyQSGS 其中s(y)為位于y處的表面電勢，而Co=ox/d為每單位面積的

47、柵極電容MOSFETMOSFET基本原理基本原理第37頁/共71頁 由于QS為反型層中每單位面積電荷量Qn與表面耗盡區(qū)中每單位面積的電荷量QSC的總和，所以我們可以得到 將上式代入前式可得 DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū)DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū))(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c圖 5.16 (a) MOSFET工作與線性區(qū)(b) 溝道的放大圖(c) 沿溝道的漏極壓降反型層的表面電勢s(y)2B+V(y)，其中V(y)為y點(diǎn)與源極電極(可視為接地)間的反向偏壓，如圖(c)所示表面耗盡區(qū)內(nèi)的電荷Qsc(y)如

48、前所述可表示為 )()()()()(yQCyVyQyQyQscosGscsn)(22)(yVqNWqNyQBASmAsc)(222)()(0yVqNCyVVyQBAsBGnMOSFETMOSFET基本原理基本原理第38頁/共71頁溝道中在y處的電導(dǎo)率可近似為 積分項(xiàng)為反型層中單位面積中的總電荷量，即 DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū)DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū))(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c圖 5.16 (a) MOSFET工作與線性區(qū)(b) 溝道的放大圖(c) 沿溝道的漏極壓降對(duì)一固定的遷移率而言，溝道電導(dǎo)

49、可表示為 )()()(xxqnxnmiixxndxxqnLZdxxLZg00,)()(mnxiQdxxqn0)(所以nnQLZgm每一基本片段dy(如圖(b)的溝道電阻為 )(yQZdygLdydRnnmMOSFETMOSFET基本原理基本原理第39頁/共71頁此基本片段上的電壓降為 代入上式，并由邊界條件：源極(y=0，V=0)積分至漏極(y=L，V=VD)可得 ID與VG、VD的關(guān)系式DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū)DInn源極GVDVdyp溝道耗盡區(qū))(annLDI)(ByQdy0)(nyQ)(bL0)(yVDVdyy yL0)(yVDVdyy y)(c圖 5.16 (a) MOSF

50、ET工作與線性區(qū)(b) 溝道的放大圖(c) 沿溝道的漏極壓降其中ID為與y無關(guān)的漏極電流將式)(IdVDyQZdyIdRnnDm)(222)()(0yVqNCyVVyQBAsBGn)2()2(232)22(233200BBDAsDDBGnDVCqNVVVCLZImMOSFETMOSFET基本原理基本原理第40頁/共71頁當(dāng)VD很小時(shí)，處于線性區(qū)，式下圖為根據(jù)上式所得到的理想MOSFET的電流-電壓特性曲線對(duì)一已知的VG而言，漏極電流一開始會(huì)隨漏極電壓線性增加(線性區(qū))，然后逐漸水平，最后達(dá)到一飽和值(飽和區(qū))虛線指出當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)的漏極電壓( 即VDsat )的軌跡 線性區(qū)飽和區(qū)V10TG

51、VV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891圖 5.17理想化的 MOSFET 的漏極特性，于時(shí)漏極電流為一常數(shù)DsatDVVV/DV)/(0DLCZIm可簡化為 ,)(I0DDTGnVVVCLZm)(TGDVVV)2()2(232)22(233200BBDAsDDBGnDVCqNVVVCLZImMOSFETMOSFET基本原理基本原理第41頁/共71頁為閾值電壓，畫出ID對(duì)VG的曲線(對(duì)一已知的小VD而言)，此曲線稱

52、為轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移特性特性曲線，閾值電壓可以由對(duì)VG軸線性外插得出在線性區(qū)，溝道電導(dǎo)gD以及跨導(dǎo)gm可表示為 其中 BBAsTCqNV2)2(20)(0TGnVDDDVVLCZVIgGm常數(shù)DnVGDmVCLZVIgD0m常數(shù)MOSFETMOSFET基本原理基本原理0TVDIVG線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891圖 5.17理想化的 MOSFET 的漏極特性，于時(shí)漏極電流為一常數(shù)DsatDVVV

53、/DV)/(0DLCZIm,)(I0DDTGnVVVCLZm)(TGDVVV第42頁/共71頁將上式代入式當(dāng)VD VDsat時(shí)，則達(dá)到飽和區(qū)在Qn(L)=0的條件下，由式線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891圖 5.17理想化的 MOSFET 的漏極特性，于時(shí)漏極電流為一常數(shù)DsatDVVV/DV)/(0DLCZIm得到VDsat的值為 )(222)()(0yVqNCyVVyQBAsBGn)

54、/211 (222KVKVVGBGDsat0CqNKAs)2()2(232)22(233200BBDAsDDBGnDVCqNVVVCLZImMOSFETMOSFET基本原理基本原理第43頁/共71頁對(duì)一處于飽和區(qū)的理想MOSFET而言，溝道電導(dǎo)為零，且跨導(dǎo)由最上面式子得到：對(duì)低襯底摻雜與薄氧化層而言，飽和區(qū)的VT與線性區(qū)的相同線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891線性區(qū)飽和區(qū)V10TGVV的軌跡對(duì)VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891圖 5.17理想化的 MOS

55、FET 的漏極特性，于時(shí)漏極電流為一常數(shù)DsatDVVV/DV)/(0DLCZIm可得飽和電流為 202TGnDsatVVLCZIm在高摻雜濃度下，VT變得與VG有關(guān) BBAsTCqNV2)2(20)(TGoxnVGDmVVdLZVIgDm常數(shù)MOSFETMOSFET基本原理基本原理第44頁/共71頁所以例5：對(duì)一n型溝道n型多晶硅-SiO2-Si的MOSFET，其柵極氧化層厚8nm，NA=1017cm-3且VG=3V，試計(jì)算其VDsat。 解： 2727140/1032. 4/1081085. 89 . 3cmFcmFdCox3 . 01032. 410106 . 11085. 89 .11

56、71719140CqNKAs，VVnNqkTinviABs84. 01065. 910ln026. 02ln22)(917VVVVVKVKVVGBGDsat51. 1)65. 084. 03() 3 . 0/(3211 ) 3 . 0(84. 03)21 (22222MOSFETMOSFET基本原理基本原理第45頁/共71頁 依據(jù)反型層的形式，MOSFET有四種基本的形式假如在零柵極偏壓下，溝道的電導(dǎo)非常低，必須在柵極外加一正電壓以形成n溝道，則此器件為增強(qiáng)型(或稱常關(guān)型)n溝道MOSFET如果在零偏壓下，已有n溝道存在，而必須外加一負(fù)電壓來排除溝道中的載流子，以降低溝道電導(dǎo)，則此器件為耗盡型

57、(或稱常開型)n溝道MOSFET同樣也有p溝道增強(qiáng)型與耗盡型MOSFET 需注意的是，對(duì)增強(qiáng)型nMOSFET而言，必須施加VD VT的正柵極偏壓，才能有顯著的漏極電流流通對(duì)耗盡型nMOSFET而言，在VG=0時(shí)已有大量電流流通，且變動(dòng)?xùn)艠O電壓可以增減其電流以上的討論在改變極性后，亦可適用于p溝道器件 MOSFET的種類的種類 MOSFETMOSFET基本原理基本原理第46頁/共71頁MOSFETMOSFET基本原理基本原理類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開溝耗盡型GnnpDDI溝道nGnnpDDIGppnDDIGppnDDI溝道pDI0D

58、V123V4GVDI0DV20V1GV10DIDV123V4GVDI0DV120V1GV0TnVDITpV0GVDI0TnVDIGV0GVDI類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開溝耗盡型GnnpDDIGnnpDDI溝道nGnnpDDIGnnpDDIGppnDDIGppnDDIGppnDDI溝道pGppnDDIGppnDDI溝道pDI0DV123V4GVDI0DV123V4GVDI0DV20V1GV1DI0DV20V1GV10DIDV123V4GV0DIDV123V4GVDI0DV120V1GVDI0DV120V1GV0TnVDI0TnVDI

59、TpV0GVDITpV0GVDI0TnVDIGV0TnVDIGV0GVDI0GVDI第47頁/共71頁 閾值電壓是MOSFET最重要的參數(shù)之一，理想的閾值電壓如式閾值電壓控制閾值電壓控制 然而，當(dāng)考慮固定氧化層電荷以及功函數(shù)差時(shí)，將會(huì)有一平帶電壓偏移除此之外，襯底偏壓同樣也能影響閾值電壓當(dāng)一反向偏壓施加于襯底與源極之間時(shí)，耗盡區(qū)將會(huì)加寬，欲達(dá)到反型所需的閾值電壓必須增大，以提供更大的Qsc。實(shí)際的閾值電壓為： BBAsTCqNV2)2(200)2(22CVqNVVBSBAsBFBT其中VBS為反向襯底-源極偏壓 。MOSFETMOSFET基本原理基本原理在理想情況的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)影響因素第4

60、8頁/共71頁 精確控制集成電路中各MOSFET的閾值電壓，對(duì)可靠的電路工作而言是不可或缺的一般來說，閾值電壓VT的調(diào)整方法是：(1) 將離子注入溝道區(qū)如：穿過表面氧化層的硼離子注入通常用來調(diào)整n溝道MOSFET的閾值電壓這種方法可以精確地控制雜質(zhì)的數(shù)量，所以閾值電壓可得到嚴(yán)格的控制帶負(fù)電的硼受主增加溝道內(nèi)摻雜的水平，因此VT將隨之增加相同地，將少量的硼注入p溝道MOSFET，可降低VT的絕對(duì)值右圖為不同摻雜濃度的VT。0 . 00 . 10 . 20 . 30 . 10 . 20 . 3141015101610171018101910多晶p多晶p多晶n多晶n禁帶中心禁帶中心NMOSPMOS0