微電子器件(5-2)

1、 使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為（或（或 ），記為），記為 。 當硅表面處的少子濃度達到或超過體內(nèi)的平衡多子當硅表面處的少子濃度達到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時，稱為表面發(fā)生了濃度時，稱為表面發(fā)生了 。 在推導閾電壓的表達式時可近似地采用一維分析，即認為在推導閾電壓的表達式時可近似地采用一維分析，即認為襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內(nèi)的空間電荷完全由柵極電壓產(chǎn)生的襯底表面下耗盡區(qū)及溝道內(nèi)的空間電荷完全由柵極電壓產(chǎn)生的縱向電場所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的橫向電場無關(guān)?？v向電場所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的橫向電場無關(guān)。 本小節(jié)推導本小節(jié)推導 P 型襯底型

2、襯底 MOS 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的閾電壓閾電壓。 上圖中，上圖中，AFPiFi1ln0NkTEEqqn 1、理想、理想 MOS 結(jié)構(gòu)（金屬與半導體間的功函數(shù)差結(jié)構(gòu)（金屬與半導體間的功函數(shù)差 MS = = 0 ，柵氧化層中的電荷面密度柵氧化層中的電荷面密度 QOX = = 0 ）當）當 VG = = 0 時的能帶圖時的能帶圖稱為稱為 。 上圖中，上圖中， S 稱為稱為 ，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的電勢差，等于能帶彎曲量除以電勢差，等于能帶彎曲量除以 q 。 2、實際、實際 MOS 結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)（ MS 0）當）當 VG = = 0 時的能帶圖時的能帶圖Sq 3、實際、實際

3、MOS 結(jié)構(gòu)當結(jié)構(gòu)當 VG = = VFB 時的能帶圖時的能帶圖 當當 時，可以使能帶恢復為平帶狀態(tài)，時，可以使能帶恢復為平帶狀態(tài)，這時這時 S = = 0，硅表面呈電中性。，硅表面呈電中性。 稱為稱為 。COX 代表單代表單位面積的柵氧化層電容，位面積的柵氧化層電容， ，TOX 代表柵氧化層厚度。代表柵氧化層厚度。OXOXMSFBGCQVVOXOXOXTC 4、實際、實際 MOS 結(jié)構(gòu)當結(jié)構(gòu)當 VG = = VT 時的能帶圖時的能帶圖 要使表面發(fā)生強反型，應(yīng)使表面處的要使表面發(fā)生強反型，應(yīng)使表面處的 EF - - EiS = = q FP ，這時，這時 外加柵電壓超過外加柵電壓超過 VFB

4、的部分的部分稱為稱為 。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的 VOX 與降在硅表面與降在硅表面附近的表面電勢附近的表面電勢 S ，即，即 VG VFB = = VOX + S 表面勢表面勢 S 使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎曲使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎曲量是量是 2q FP ，表面勢為，表面勢為 2 FP ，于是可得，于是可得 VT VFB = = VOX + 2 FP 上式中，上式中， QM 和和 QS 分別代表金屬一側(cè)的分別代表金屬一側(cè)的電荷面密度和半導體一側(cè)的電荷面密度，而電荷面密度和半導體一側(cè)的電荷面密度，而 QS 又是耗

5、盡層電荷又是耗盡層電荷QA 與反型層電荷與反型層電荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQCQV- -QAQM- -QnCOX- -QSP可得可得 MOS 結(jié)構(gòu)的閾電壓為結(jié)構(gòu)的閾電壓為FPOXFPAOXOXMST2)2(CQCQV 再將再將 和上式代入和上式代入 中，中，OXOXMSFBCQV關(guān)于關(guān)于 QA 的進一步推導在以后進行。的進一步推導在以后進行。 作為近似，在強反型剛開始時，可以忽略作為近似，在強反型剛開始時，可以忽略 Qn 。QA 是是 S 的的函數(shù)，在開始強反型時，函數(shù)，在開始強反型時，QA ( S ) = = QA ( 2 FP ) ，故得，故得OXFPAOXSOX)2(C

6、QCQV MOSFET 與與 MOS 結(jié)構(gòu)的不同之處是：結(jié)構(gòu)的不同之處是： a) 柵與襯底之間的外加電壓由柵與襯底之間的外加電壓由 VG 變?yōu)樽優(yōu)?(VG - -VB) ，因此有效，因此有效柵電壓由柵電壓由 (VG - -VFB ) 變?yōu)樽優(yōu)?(VG - -VB - - VFB ) 。 b) 有反向電壓有反向電壓 (VS - -VB )加在源、漏及反型層的加在源、漏及反型層的 PN 結(jié)上，使結(jié)上，使 強反型開始時的表面勢強反型開始時的表面勢 S,inv 由由 2 FP 變?yōu)樽優(yōu)?( 2 FP + VS - -VB )。 以下推導以下推導 QA 的表達式。對于均勻摻雜的襯底，的表達式。對于均勻摻

7、雜的襯底， 式中，式中， ，稱為，稱為 。AS,invAd()QqN x OX21sA2CNqKAS,invTBFBS,invOX()QVVVC 因此因此 MOSFET 的閾電壓一般表達式為的閾電壓一般表達式為1112AS,invAs22FPSBFPSBOXOX()222Qq NVVKVVCC 21AS,invsA2NqNq12AsFPSB22qNVV 于是可得于是可得 N 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓為的閾電壓為12TBFBFPSBFPSB1OX2MSFPSBFPSOX2222VVVKVVVVQKVVVC 注意上式中，通常注意上式中，通常 VS 0，VB 0 。 當當 VS = = 0

8、，VB = = 0 時，時，F(xiàn)P21FPOXOXMST22KCQV 這與前面得到的這與前面得到的 MOS 結(jié)構(gòu)的閾電壓表達式相同。結(jié)構(gòu)的閾電壓表達式相同。稱為稱為 。 同理，同理，P 溝道溝道 MOSFET 當當 VS = 0 ，VB = 0 時的閾電壓為時的閾電壓為FN21FNOXOXMST22KCQV式中，式中，DFNiFi1ln0NkTEEqqn OX21sD2CNqK FN 與與 FP 可以統(tǒng)一寫為可以統(tǒng)一寫為 FB，代表，代表 。 當當 VS = = 0 ，VB = = 0 時，時，N 溝道與溝道與 P 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓的閾電壓可統(tǒng)一寫為可統(tǒng)一寫為FBADOXOXOX

9、OXOXMST2QTQTV a) 柵氧化層厚度柵氧化層厚度 TOX 一般來說，當一般來說，當 TOX 減薄時，減薄時， |VT | 是減小的。是減小的。 早期早期 MOSFET 的的 TOX 的典型值約為的典型值約為 150 nm ，目前高性能，目前高性能MOSFET 的的 TOX 可達可達 10 nm 以下。以下。1015 cm-3 時，時， 約為約為 0.3 V 。FB b) 襯底費米勢襯底費米勢 FB FB 與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當摻雜濃度為與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當摻雜濃度為FB)N(0lniAFP溝nNqkT)P(0lniDFN溝nNqkTFBADOXOXO

10、XOXOXMST2QTQTV MS 與金屬種類、半導體導電類型及摻雜濃度有關(guān)。對于與金屬種類、半導體導電類型及摻雜濃度有關(guān)。對于Al Si 系統(tǒng)，系統(tǒng)， c) 功函數(shù)差功函數(shù)差 MS - - 0.6 V - - 1.0 V ( N 溝溝 )- - 0.6 V - - 0.2 V ( P 溝溝 )（見圖（見圖 5-15） 當當 N = = 1015 cm-3 時，時， - - 0.9 V ( N 溝溝 )- - 0.3 V ( P 溝溝 )FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV MS = MS = d) 耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度 QAD 由于由于 FB 與摻雜濃度

11、與摻雜濃度 N 的關(guān)系不大，故可近似地得到的關(guān)系不大，故可近似地得到21ADADNQADQ)N(, 0)4(21FPsAdAA溝qNxqNQ)P(, 0)4(21FNsDdDD溝qNxqNQFBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV e) 柵氧化層中的電荷面密度柵氧化層中的電荷面密度 QOX V8 .1OXOXCQ V0 . 3 QOX 與制造工藝及晶向有關(guān)。與制造工藝及晶向有關(guān)。MOSFET 一般采用（一般采用（100）晶面，并在工藝中注意盡量減小晶面，并在工藝中注意盡量減小 QOX 的引入。在一般工藝條件的引入。在一般工藝條件下，當下，當 TOX = = 150 nm 時，時， FBA

12、DOXOXOXOXOXMST2QTQTV 對于對于 N 溝道溝道 MOSFET， FP21BSFPFBT22VKVV01212)()(21FPBS21FP0T0TTBSBSVKVVVVV VT 隨隨 VBS 的變化而變化。的變化而變化。 當當 VS = = 0 時，可將源極作為電位參考點，這時時，可將源極作為電位參考點，這時 VG = = VGS 、VD = = VDS 、VB = = VBS 。 對于對于 P 溝道溝道 MOSFET， 可見，當可見，當 |VBS | 增大時，增大時，N 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓向正方的閾電壓向正方向變化，而向變化，而 P 溝道溝道 MOSFET 的閾電壓向負方向變化。的閾電壓向負方向變化。 由于由于 ，所以，所以 TOX 越厚、越厚、N 越高，襯底偏置越高，襯底偏置效應(yīng)就越嚴重。效應(yīng)就越嚴重。01212)()(21FNBS21FN0T0TTBSBSVKVVVVVOX21s2CNqK 設(shè)注入的雜質(zhì)濃度為階梯形分布，且注入深度設(shè)注入的雜質(zhì)濃度為階梯形分布，且注入深度 R 小于溝道小于溝道下的襯底耗盡區(qū)最大厚度下的襯底耗盡區(qū)最大厚度 x dmax ， ANANRxdmaxx0dmaxx以以 NI 代表離子注入所新增加的雜質(zhì)濃度代表離子注入所新增加的雜質(zhì)濃度 ，N A = NA