場效應管小結 最新課件

1、 微電子技術專業(yè)半導體器件單元四 場效應晶體管小結講授教師：馬 穎第 7 章半導體表面特性及MOS電容 7.1 半導體表面和界面結構 了解清潔表面和真實表面的特點 理解Si-SiO2界面的特點及影響因素7.2 表面勢 掌握MIS結構的表面積累、耗盡和反型時表面勢與能帶特點7.3 MOS結構的電容-電壓特性 掌握理想MOS的C公式 了解影響實際C-V特性曲線變化的因素7.4 MOS結構的閾值電壓 掌握理想與實際閾值電壓的計算（含C、S、Wm、QSC）一、半導體表面和界面結構真實表面分為外表面和內表面，其中內表面屬于快態(tài)能級，外表面屬于慢態(tài)能級。利用熱生長或化學汽相淀積人工生長方法在Si面上生長S

2、iO2層，可厚達幾千埃，形成硅-二氧化硅界面。理想表面的特點：在中性懸掛鍵上有一個未成鍵的電子。懸掛鍵還有兩種可能的帶電狀態(tài)：釋放未成鍵的電子成為正電中心，這是施主態(tài)；接受第二個電子成為負電中心，這是受主態(tài)。它們對應的能級在禁帶之中，分別稱為施主和受主能級。 Si-SiO2界面的結構的應用：MOS結構中的絕緣介質層、器件有源區(qū)之間場氧化隔離選擇摻雜的掩蔽膜、鈍化保護膜等 可動離子（鈉離子，減小該離子沾污的工藝為磷穩(wěn)定化和氯中性化）固定電荷（氧化層正電荷，固定電荷密度由最終氧化溫度決定，減小的方法是在惰性氣體中退火）界面陷阱，又稱界面態(tài)（中性懸掛鍵引起，界面態(tài)的能級分布？減小方法有氫氣退火和金屬

3、后退火工藝）電離陷阱（由輻射、高溫高負偏置應力引起的附加氧化層電荷的增加，去除和減小的方法是熱退火和加固）一、半導體表面和界面結構二氧化硅層中，存在著嚴重影響器件性能的因素主要有哪些？二、表面勢 表面勢的概念 空間電荷區(qū)表面到內部另一端，電場從最大逐漸減弱到零，其各點電勢也要發(fā)生變化，這樣表面相對體內就產(chǎn)生電勢差，并伴隨能帶彎曲，常稱空間電荷區(qū)兩端的電勢差為表面勢S。 MIS結構加正向電壓時，金屬側積累正電荷，半導體表面一層便形成空間負電荷區(qū)。此時，表面勢S是正的，表面電場由外界指向半導體，表面的能帶向下彎曲，此時，表面與體內達到了熱平衡，具有共同的費米能級；空間電荷區(qū)中的負電荷恰好與金屬中的

4、正電荷相等。二、表面勢MIS結構加反向電壓時，金屬側積累正電荷，半導體表面一層便形成空間正電荷區(qū)。此時，表面勢S是負的，表面電場由半導體指向外界，表面的能帶向上彎曲。積累耗盡反型P型半導體襯底表面勢ss0sF0半導體空間電荷空穴積累空穴耗盡電子積累能帶變化向上彎曲向下彎曲向下彎曲N型半導體襯底表面勢ss0Fs0sF0uDS 0uDS 0uDS 0可正（溝道變寬）可負（溝道變窄）uGS 0VP0VT0二、MOSFET的特征曲線 通過MOSFET的漏源電流與加在漏源極間的電壓之間的關系曲線即為輸出特性曲線。這時加在柵極上的電壓作為參變量。如圖示，該圖為什么MOSFET的輸出特性曲線？其中區(qū)為可調電

5、阻區(qū)、 區(qū)為飽和工作區(qū)、 區(qū)為雪崩擊穿區(qū)。圖中的區(qū)溝道是否夾斷？有何特點？ 在可調電阻區(qū)，溝道未夾斷，VDS使溝道中各點的電位不同，從源端到漏端溝道的厚度變小。此時的溝道區(qū)呈現(xiàn)電阻特性，電流IDS與VDS基本上是線性關系。而且，VGS越大，溝道電阻越小。 MOSFET的臨界夾斷狀態(tài)的電壓條件為： 飽和工作區(qū)特點：溝道夾斷點從漏端向源端移動，漏源電流基本上達到飽和值IDSS。當MOS晶體管工作在飽和區(qū)時，將工作電流IDSS與輸入電壓VGS之間的關系曲線稱為轉移特性曲線。二、MOSFET的特征曲線 VGS-VDS=VT 左圖為什么MOSFET的轉移特性曲線？二、MOSFET的特征曲線溝道長度調變效

6、應 在飽和工作區(qū)中，當溝道長度L不滿足遠大于夾斷區(qū)段長度(短溝道)時， VDS增大，溝道長度將減小， IDSS將隨之增加，漏源飽和電流隨溝道長度的減小而增大的效應稱為溝道長度調變效應。它與雙極型晶體管中的基區(qū)寬度調變效應相當。 漏源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機理決定： 漏極電壓VDS增大時，漏結耗盡區(qū)增大，使溝道有效長度縮短。當溝道表面漏結耗盡區(qū)的寬度LS擴展到等于溝道長度L時，漏結耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏源之間的直接穿通。 漏區(qū)與襯底之間P-N結的雪崩擊穿；漏和源之間的穿通。 三、MOSFET的頻率特性跨導gm表征在漏源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化

7、的程度，標志了MOSFET的電壓放大本領。單位：西門子（S）。線性工作區(qū)：跨導與VDS成正比 飽和工作區(qū)：在不考慮溝道長度調制效應的情況下，跨導與VDS無關。提高跨導的方法 （1）改進管子的結構提高： 增大溝道的寬長比； 減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容； 減小溝道載流子的濃度以提高溝道內載流子的遷移率。（2）在飽和區(qū)時，可通過適當增加VGS來提高跨導。 三、MOSFET的頻率特性NMOSFET最高振蕩頻率PMOSFET最高振蕩頻率減小溝道長度可以有效提高最高振蕩頻率四、MOSFET的開關特性 倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負載兩部分組成。 反相管通常用N溝增強管。 E/

8、R反相器為無源負載即用電阻作負載。 有源負載又可分為多種不同的MOSFET，常見有E/E反相器（用N溝增強管作負載）CMOS反相器（用P溝增強管作負載）E/D反相器（用N溝耗盡管作負載）。四、MOSFET的開關特性 CMOS結構 CMOS倒相器的特點 在同一N型襯底上同時制造P溝MOS管（負載管）和N溝MOS管（倒相管），N溝MOS管制作在P阱內。 在導通和截止兩種狀態(tài)時，始終只有一個管子導通，只有很小的漏電流通過，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關時間短。 四、MOSFET的開關特性 CMOS倒相器的工作原理當輸入脈沖為零(低電平)時 CMOS倒相器處于截止狀態(tài)。 倒相管NMOS增強型管的

9、VGS=0，處于截止狀態(tài)。 負載管PMOS增強型管的VGS0 , 處于充分導通的狀態(tài)。 負載管PMOS的VGS0，處于故處于截止狀態(tài)。 這時，輸出電壓VD0，為低電平。五、閾值電壓VT的控制和調整調整和控制閾值電壓的方法在半導體近表面處注入精確控制的相對較少的硼或磷離子。硼注入會導致閾值電壓正漂移，磷注入會導致閾值電壓負漂移。通過改變氧化層厚度來控制VT。氧化層厚度增加，N溝道MOSFET的閾值電壓會變大，而P溝道MOSFET的閾值電壓將變小。選擇適當?shù)臇艠O材料來調整功函數(shù)差從而控制VT。 五、閾值電壓VT的控制和調整通過半導體表面處注入離子來調整和控制閾值電壓的計算 注入硼離子造成的平帶電壓

10、漂移類似于固定正電荷，其量為： ，F(xiàn)B為注入的硼劑量，所以閾值電壓由VT增加到VT注入磷離子造成的平帶電壓漂移量為： 第 9 章MOS功率場效應晶體管 9.1 用作功率放大和開關的MOS功率場效應晶體管（略）9.2 MOS功率場效應晶體管的結構（分類）9.3 DMOS晶體管的擊穿電壓（略）9.4 DMOS晶體管的二次擊穿（略）9.5 溫度對MOS晶體管特性的影響（略）MOS功率FET的結構 MOS功率FET具有兩種基本結構：二維結構和三維結構。 二維橫向器件與常規(guī)的MOS晶體管基本相似，只是多一個延伸的高電阻漏區(qū)，這種結構特點有助于提高器件的高壓性能。 在三維器件中，則具有一個縱向的延伸漏區(qū)，通常稱之為漂移區(qū)，漏電極位于片子的底部。這種三維結構可以提高硅片的利用率。 二維橫向結構 補償柵MOS晶體管 三維結構 橫向DMOS晶體管（LDMOST） 具有