第6章場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1、微電子器件與微電子器件與IC設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)第六章第六章 MOSFETMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 引言引言 一、一、FET(Field-Effect Transistor) 二、場(chǎng)效應(yīng)器件類(lèi)型：二、場(chǎng)效應(yīng)器件類(lèi)型： 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體管 （JFET）金屬半導(dǎo)體場(chǎng)金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管 （MESFET） MOS 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng) 晶體晶體管（管（MOSFET）Junction FETMetal-Semiconductor FETMetal-Oxide-Semiconductor FET GDGSp+p+nJFETMESFETMOSFET三、三、FET特點(diǎn)：特

2、點(diǎn)： 單極器件、多子器件單極器件、多子器件 電壓控制器件電壓控制器件熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好 噪聲低噪聲低 種類(lèi)多種類(lèi)多 制作工序少，隔離容易制作工序少，隔離容易 6.1 MOS結(jié)構(gòu)及其特性結(jié)構(gòu)及其特性1、MOS場(chǎng)效應(yīng)與電荷狀態(tài)場(chǎng)效應(yīng)與電荷狀態(tài)MOS 電容的結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu)理想理想MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：1、金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)相同；、金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)相同；2、氧化層是理想絕緣體，沒(méi)有體、氧化層是理想絕緣體，沒(méi)有體電荷和缺陷；電荷和缺陷；3、氧化層和半導(dǎo)體界面是理想界、氧化層和半導(dǎo)體界面是理想界面，無(wú)界面電荷和界面態(tài)；面，無(wú)界面電荷和界面態(tài)；4、金屬和氧化層界面是理想界面，、金屬和氧化層界面是理想界面，無(wú)界

3、面缺陷。無(wú)界面缺陷。理想理想MOS 施加偏壓后的幾種表面狀態(tài)施加偏壓后的幾種表面狀態(tài)各種柵壓情況下，表面勢(shì)和電荷分布情況（各種柵壓情況下，表面勢(shì)和電荷分布情況（p-Si）：）：l平帶平帶：表面勢(shì)為0；l多子積累多子積累：表面勢(shì)0，能帶向上彎曲；l耗盡耗盡：表面勢(shì)0，0VsF，能帶向下彎曲；表面的多子濃度遠(yuǎn)小于體內(nèi)的多子濃度。表面的多子濃度遠(yuǎn)小于體內(nèi)的多子濃度。l弱反型弱反型：表面勢(shì)0， FVs00IDS方向DSSDVT00 表面多子濃度表面多子濃度 強(qiáng)反型: 表面少子濃度 體內(nèi)多子濃度體內(nèi)多子濃度 導(dǎo)電溝道: 強(qiáng)反型時(shí)漏源之間形成的導(dǎo)電通道 閾值電壓 VT ：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)(ns p

4、0)所需的柵源電壓 漏極： 載流子流出溝道 源極： 載流子流入溝道 (漏源電壓總是使載流子 由源極流入溝道，由漏極流出溝道 )6.2 MOSFET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理的基本結(jié)構(gòu)及工作原理6.2.4、 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性 ：VDS為常數(shù)，IDSVGSE-NMOSFET：VGS0， IDS0VGS ：P型耗盡層 IDS0VGSVT（閾值電壓） N反型層VGS ： IDSVT0VGS- 0 +VTIDS6.2 MOSFET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 D-NMOSFET：VGS=0，IDS已存在VGSVT, IDSVDS）MOSFET 輸出特性輸出特性以以E-NMOSFET

5、為例：為例： VDS=0：IDS=0VDS0很小：IDSVDS線性增大VDS增大： IDSVDS變化減慢VDS繼續(xù)增加：IDSIDSATVDS再增加：IDS基本不變VDS進(jìn)一步增大：雪崩擊穿，電流劇增6.2 MOSFET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理的基本結(jié)構(gòu)及工作原理（A）線性區(qū)；（）線性區(qū)；（B）和（）和（C）飽和區(qū)）飽和區(qū) 電學(xué)符號(hào)電學(xué)符號(hào) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSVGS 輸出特性輸出特性IDSVDSGDSID已有導(dǎo)電溝道VTVGSVT0VT0VGS- 0 +VT+VGSVTIDVDSGDSVDS0VGS- 0 +IDVDS +VGS=0 VT- 0IDGDSVDS0VTVGS- 0 +IDVT0V

6、DS VT -ID- 0n溝耗盡型溝耗盡型n溝增強(qiáng)型溝增強(qiáng)型P溝耗盡型溝耗盡型P溝增強(qiáng)型溝增強(qiáng)型6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.1閾值電壓定義閾值電壓定義 MOSFET表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型、形成導(dǎo)電溝道時(shí)的柵源電壓，以VT表示TOXSFBVVVVVOX ：柵電壓VG 降落在 SiO2 絕緣層上的部分VS ： 柵電壓VG 降落在半導(dǎo)體表面的部分VFB ：平帶電壓P-Si襯底SGDEdsIds6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.2 平帶電壓平帶電壓實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)：無(wú)偏壓時(shí)無(wú)偏壓時(shí)MOS結(jié)構(gòu)中由于功函數(shù)差結(jié)構(gòu)中由于功函數(shù)差會(huì)會(huì)引起引起表面能帶彎曲表面能帶彎曲1020msoxVQ

7、、金半的接觸電勢(shì)差 、二氧化硅絕緣層電荷 oxoxmsFBCQVSiO2柵絕緣層中的電荷同樣可在半導(dǎo)體表面感柵絕緣層中的電荷同樣可在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出表面電荷應(yīng)出表面電荷 平帶電壓平帶電壓使表面勢(shì)為使表面勢(shì)為0，所需在柵上加的偏壓，所需在柵上加的偏壓6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓 6.3.3 強(qiáng)反型時(shí)的電荷分布強(qiáng)反型時(shí)的電荷分布 QG：金屬柵上的面電荷密度 QOX：柵絕緣層中的面電荷密度 Qn ：反型層中電子電荷面密度 QB ：半導(dǎo)體表面耗盡層中空間電荷面密度0GOXnBQQQQ柵電極柵氧化層P型半導(dǎo)體QnQGQOXQB6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.4 理想狀態(tài)理想狀

8、態(tài)MOSFET的閾值電壓的閾值電壓1. 理想狀態(tài)：理想狀態(tài)：Qox0，ms02. 溝道形成時(shí)的臨界狀態(tài)：溝道形成時(shí)的臨界狀態(tài)：Qn03. 出現(xiàn)強(qiáng)反型后：出現(xiàn)強(qiáng)反型后：xd xdmax (強(qiáng)反型時(shí)可視為np) 柵電極柵氧化層P型半導(dǎo)體QnQGQOXQBSoxGVVV6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.4 理想狀態(tài)理想狀態(tài)MOSFET的閾值電壓的閾值電壓maxGnBOXBQQQQQ 理想假設(shè)條件下不考慮剛達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)Qn分布在表面很薄的一層內(nèi)Qn0）： 210max2ASdqNyVVx 210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdABDSVmaxBQ TnV場(chǎng)感應(yīng)結(jié)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)：半導(dǎo)體

9、表面形成反型層時(shí)，襯底和反型層之間類(lèi)似形成PN結(jié)，因是由半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)引起的，故稱(chēng)為場(chǎng)感應(yīng)結(jié)。由于由于V VDSDS0 0，導(dǎo)致溝道，導(dǎo)致溝道中存在電位差，故沿溝中存在電位差，故沿溝道方向場(chǎng)感應(yīng)結(jié)不均勻。道方向場(chǎng)感應(yīng)結(jié)不均勻。6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.5 實(shí)際實(shí)際MOSFET的閾值電壓的閾值電壓（3） 襯偏電壓（襯偏電壓（VBS0）：）： 210max|2ABSSdqNVyVVx 210maxmax|)|(2BSSAdABVyVVqNxqNQ120122( ) |lnoxATnmsASBSoxoxiQNkTVqN VV yVCCqnVBS襯底偏置襯底偏置：對(duì)于MOS-I

10、C而言，在電路工作時(shí)，其中各個(gè)MOSFET的襯底電位是時(shí)刻變化著的，如果對(duì)器件襯底的電位不加以控制的話(huà)，那么就有可能會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)以及源-襯底結(jié)正偏的現(xiàn)象；一旦發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，器件和電路即告失效。所以，對(duì)于IC中的MOSFET，需要在襯底與源區(qū)之間加上一個(gè)適當(dāng)高的反向電壓襯偏電壓，以保證器件始終能夠正常工作。簡(jiǎn)言之，襯偏電壓就是為了防止MOSFET的場(chǎng)感應(yīng)結(jié)以及源結(jié)和漏結(jié)發(fā)生正偏、而加在源-襯底之間的反向電壓。VBS使使“場(chǎng)感應(yīng)結(jié)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)”耗盡層寬度變化耗盡層寬度變化6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 （1）柵電容）柵電容Cox（2）接觸電勢(shì)

11、）接觸電勢(shì)（3）襯底雜質(zhì)濃度的影響）襯底雜質(zhì)濃度的影響（4）氧化層電荷密度的影響）氧化層電荷密度的影響6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 （1）柵電容）柵電容Coxl減小氧化層厚度減小氧化層厚度l選用較大介電系數(shù)的選用較大介電系數(shù)的材料作柵介質(zhì)膜材料作柵介質(zhì)膜oxoxoxtC0oxC|TVoxt120122( ) |lnoxATnmsASBSoxoxiQNkTVqNVV yVCCqn6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 （2）接觸電勢(shì)差）接觸電勢(shì)差mmsWWsqmsmsWWq修正（由于金半之間

12、有一層氧化層）PSiNSi1ln2msgAmiENkTWqqn|TPVTnVmsANDNms1ln2msgDmiENkTWqqn0-0.3-0.6-0.9NBC 1010 1014 1018Al（n-Si)Al（p-Si)襯底雜質(zhì)濃度對(duì)接觸電勢(shì)差影響不大。襯底雜質(zhì)濃度對(duì)接觸電勢(shì)差影響不大?，F(xiàn)代現(xiàn)代MOS工藝多采用（工藝多采用（N+）硅柵。）硅柵。6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 （3）襯底雜質(zhì)濃度的影響）襯底雜質(zhì)濃度的影響l對(duì)費(fèi)米勢(shì)費(fèi)米勢(shì)影響較小，當(dāng)雜質(zhì)濃度增加2個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)候，費(fèi)米勢(shì)僅變化0.1V；l對(duì)功函數(shù)差功函數(shù)差影響較小，當(dāng)雜質(zhì)濃度

13、增加4個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)候，功函數(shù)僅變化0.2V；l對(duì)耗盡層電荷耗盡層電荷影響較大。l耗盡層電荷可采用離子注入調(diào)整，受主雜質(zhì)注入使VT增大，施主雜質(zhì)注入使VT減小。1013 1017 cm-310 5 10.01tox=100nmVT12max022BAFQqN 12max022BDFQqNPMOSNMOS120122( ) |lnoxATnmsASBSoxoxiQNkTVqNVV yVCCqn襯底雜質(zhì)濃度對(duì)VT的影響6.3 MOSFET的閾值電壓的閾值電壓6.3.6影響閾值電壓的因素影響閾值電壓的因素 （4）氧化層電荷密度的影響）氧化層電荷密度的影響對(duì)于對(duì)于NMOS：NA一定時(shí)，一定時(shí)，Qox增加

14、會(huì)導(dǎo)致增加會(huì)導(dǎo)致VT下降，下降，所以所以NMOS易形成耗盡型易形成耗盡型（PMOS易形成增強(qiáng)型），要制備增強(qiáng)型易形成增強(qiáng)型），要制備增強(qiáng)型NMOS必須降低必須降低QOX。1.對(duì)于對(duì)于Si襯底，（襯底，（100）面的固定電荷面密度最低，（）面的固定電荷面密度最低，（111）面的固定）面的固定電荷面密度最高，故電荷面密度最高，故MOS器件常選用（器件常選用（100）硅片為襯底。）硅片為襯底。6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性6.4.1 理想模型（以理想模型（以ENMOS為例）為例）一維近似，只考慮電流在y方向的流動(dòng)；強(qiáng)反型近似：緩變溝道近似：只考慮漂移電流，忽略擴(kuò)散電流；忽略溝道和襯

15、底間的反向漏電流；忽略源極、漏極、溝道之間的接觸電阻；溝道雜質(zhì)濃度均勻分布；溝道載流子遷移率為常數(shù)。FSV2yxEEXc6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性6.4.2 溝道電荷密度溝道電荷密度Qn(y)設(shè)溝道中y處的電荷密度為Qn(y)：設(shè)溝道中某一點(diǎn)電位為V(y)則：0)(maxyQQQnBG)(maxyQQQnBGoxnBoxGoxCyQQCQV)(maxDSVLV)(0)0(V)()(2)(2maxyVVCyQQyVVVVFBoxnBFFBoxFGSmax( )2( )noxGSFBFBQyCVVV yQ max2( )BoxGSFFBoxQCVVV yC )(yVVVCTG

16、Sox6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性6.4.3 漂移電流漂移電流IDSqn(x,y)：溝道中某點(diǎn)的電荷密度，n：遷移率dyydVEy)( dyydVyxqnJny),(000( )( , )ccxWxyyndV yIJ dxdzqn x y dxWdy ( )ynndV yIWQdy 00( )DSLVynnIdyWQ dV y DSVTGSoxnDSydVyVVVLWCI0)()(為增益因子。其中LWCVVVVLWCIoxnDSDSTGSoxnDS221Xc薩支唐方程：薩支唐方程：6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性6.4.3 漂移電流漂移電流IDS1、線性區(qū)：

17、、線性區(qū)： VDSVGSVT，V(y)可忽略：2、可變電阻區(qū)：、可變電阻區(qū)：VDS較大，V(y)不能忽略：3、飽和區(qū)：、飽和區(qū)： VDS繼續(xù)增大到VDSVGS-VT 溝道夾斷：DSTGSoxnDSVVVLWCI)(NNPSGD夾斷點(diǎn)IDSVDS實(shí)際022TGSoxnDsatVVLWCI221DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)（溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)（CLM）6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性6.4.4 影響電流電壓特性的因素影響電流電壓特性的因素u耗盡層電荷的影響耗盡層電荷的影響u溝道調(diào)制效應(yīng)溝道調(diào)制效應(yīng)u高場(chǎng)遷移率的影響高場(chǎng)遷移率的影響柵電場(chǎng)（柵電場(chǎng)（Ex）的影響）的影

18、響橫向電場(chǎng)（橫向電場(chǎng)（Ey）的影響）的影響6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性6.4.4 影響電流電壓特性的因素影響電流電壓特性的因素（1）耗盡層電荷的影響）耗盡層電荷的影響 210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdABQBM隨著隨著VDS變化。變化。2F1/23/23/202222223oxDsatDSGSFBDsatADSFBSFBSoxW CVIVVVLqNVVVC1/ 220F022121AoxD SatG SF BG SF BoxAqNCVVVVVCqN電電壓壓為為：為為常常數(shù)數(shù)，求求得得飽飽和和源源漏漏，飽飽和和時(shí)時(shí)GSDSDSVdVdI0比理想狀態(tài)下的飽和源漏

19、電壓要小，飽和源漏電流也要小，但更精確。比理想狀態(tài)下的飽和源漏電壓要小，飽和源漏電流也要小，但更精確。明顯。明顯。越大，溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)越越大，溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)越為溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)：為溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)：其中，其中，成反比，有：成反比，有：與與而而效溝道長(zhǎng)度效溝道長(zhǎng)度，則溝道長(zhǎng)度減小，有，則溝道長(zhǎng)度減小，有當(dāng)當(dāng)DSDStDSatDSatDSatDSaDSatDSeffDSatDSVLLV1ILL1ILL-1IL-LILILIL-LLVV6.4 MOSFET的電流電壓特性的電流電壓特性DSatIDSV6.4.4 影響電流電壓特性的因素影響電流電壓特性的因素（2）溝道調(diào)制效應(yīng)（）溝道調(diào)制效應(yīng)（CLM）1 6.4 MOSFET的