半導(dǎo)體器件物理-MOSFET

西安電子科技大學(xué)XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET的預(yù)備知識(shí)

2023/2/61場(chǎng)效應(yīng)器件物理2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的預(yù)備知識(shí)MOS電容氧化層厚度氧化層介電常數(shù)Al或高摻雜的多晶Sin型Si或p型SiSiO2MOS結(jié)構(gòu)具有Q隨V變化的電容效應(yīng)，形成MOS電容2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的預(yù)備知識(shí)平行板電容平行板電容：上下金屬極板，中間為絕緣材料單位面積電容：外加電壓V，電容器存儲(chǔ)的電荷：Q=CV，氧化層兩側(cè)電場(chǎng)E=V/dMOS結(jié)構(gòu)：具有Q隨V變化的電容效應(yīng)，

形成MOS電容2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的預(yù)備知識(shí)能帶圖能帶結(jié)圖：描述靜電偏置下MOS結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，分價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶晶體不同，能帶結(jié)構(gòu)不同，能帶寬窄，禁帶寬度大小不同金屬（價(jià)帶、導(dǎo)帶交疊：EF）、氧化物（Eg大）、半導(dǎo)體（Eg小）半導(dǎo)體摻雜類型不同、濃度不同，EF的相對(duì)位置不同導(dǎo)帶底能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的預(yù)備知識(shí)表面勢(shì)和費(fèi)米勢(shì)費(fèi)米勢(shì)：半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)與禁帶中心能級(jí)之差的電勢(shì)表示，表面勢(shì)：半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差，能級(jí)的高低代表了電子勢(shì)能的不同，能級(jí)越高，電子勢(shì)能越高如果表面能帶有彎曲，說(shuō)明表面和體內(nèi)比：電子勢(shì)能不同，即電勢(shì)不同，采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似，耗盡層厚度：P型襯底禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

表面電荷面電荷密度一塊材料，假如有均勻分布的電荷，濃度為N，表面積為S，厚度為d材料總電荷為Q=表面S單位面積內(nèi)的電荷（面電荷密度）Q`=SdN2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容理想MOS電容結(jié)構(gòu)特點(diǎn)絕緣層是理想的，不存在任何電荷，絕對(duì)不導(dǎo)電；半導(dǎo)體足夠厚，不管加什么柵電壓，在到達(dá)接觸點(diǎn)之前總有一個(gè)零電場(chǎng)區(qū)（硅體區(qū)）絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在界面陷阱電荷；金屬與半導(dǎo)體之間不存在功函數(shù)差2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(1)負(fù)柵壓情形負(fù)柵壓——多子積累狀態(tài)電場(chǎng)作用下，體內(nèi)多子順電場(chǎng)方向被吸引到S表面積累能帶變化：空穴在表面堆積，能帶上彎，<02023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(1)零柵壓情形零柵壓—平帶狀態(tài)理想MOS電容：絕緣層是理想的，不存在任何電荷；Si和SiO2界面處不存在界面陷阱電荷；金半功函數(shù)差為0。系統(tǒng)熱平衡態(tài)，能帶平，表面凈電荷為02023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(2)小的正柵壓情形(耗盡層)小的正柵壓——多子耗盡狀態(tài)電場(chǎng)作用下，表面多子被耗盡，留下帶負(fù)電的受主離子Na-，不可動(dòng)且由半導(dǎo)體濃度的限制，形成一定厚度的負(fù)空間電荷區(qū)xd能帶變化：P襯表面正空穴耗盡，濃度下降，能帶下彎，>0

xd：空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)）的寬度半導(dǎo)體表面處，耗盡層面電荷密度Q`dep=eNaxd正柵壓↑，增大的電場(chǎng)使更多的多子耗盡，xd↑，能帶下彎增加2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(2)大的正柵壓——反型狀態(tài)能帶下彎程度↑，表面EFi到EF下，表面具n型。柵壓增加，增大，更多的多子被耗盡，Q`dep

（=eNaxd）增加同時(shí)P襯體內(nèi)的電子被吸引到表面，表面反型電子Qinv積累，反型層形成反型層電荷面密度Q`inv=ensxinv柵壓↑，反型層電荷數(shù)Qinv增加，

反型層電導(dǎo)受柵壓調(diào)制大的正柵壓情形2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系反型層電荷濃度：P型襯底閾值反型點(diǎn)：表面勢(shì)=2倍費(fèi)米勢(shì)，表面處電子濃度=體內(nèi)空穴濃度閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)的柵電壓2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

空間電荷區(qū)厚度:表面反型情形閾值反型點(diǎn)表面電荷特點(diǎn)：濃度：

ns=PP0；厚度：

反型層厚度Xinv<<耗盡層厚度Xd反型層電荷Q`inv=ensXinv<<Q`dep=eNaXdP型襯底例如：若Na=1016/cm3，柵氧厚度為30nm，計(jì)算可得：Φfp=0.348V，Xd≈0.3μm，Xd≈4nm，由此得Q`dep=-5.5×10-8/cm2,Q`inv=-6.5×10-10/cm2因此表面電荷面密度為：Q`-=Q`dep+Q`inv≈Q`dep2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容表面反型層電子濃度與表面勢(shì)的關(guān)系閾值反型點(diǎn)后，VG增加：表面處可動(dòng)電子電荷濃度在ns=PP0基礎(chǔ)上指數(shù)迅速大量增加：→表面勢(shì)增加0.12V，則ns=100PP0，而Xdep只增加約8%，很小，原因？2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

表面能帶圖:p型襯底(2)閾值反型后，xd↑最大值XdT不再擴(kuò)展：表面處總的負(fù)電荷面密度Q`-=Q`dep+Q`inv強(qiáng)反型后，若VG進(jìn)一步↑→ΦS↑→表面處可動(dòng)電子電荷濃度在ns=PP0基礎(chǔ)上指數(shù)增加→表面處負(fù)電荷的增加△Q-主要由△ns貢獻(xiàn)→Qdep基本不變→表面耗盡層寬度Xd基本不變，在閾值反型點(diǎn)開始達(dá)到最大XdT強(qiáng)反型后，增加的VG基本上用于改變柵氧化層兩側(cè)壓降VOX，反型電荷Q`n=COX(VG-VT)增多，Фs改變量很小，耗盡層電荷近乎不變2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

平帶電壓:定義平帶電壓VFB

（flat-bandvoltage）定義：使半導(dǎo)體表面能帶無(wú)彎曲需施加的柵電壓作用：抵消金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差和氧化層中的正電荷對(duì)半導(dǎo)體表面的影響MOS電容電荷塊圖：采用方形塊近似表示電荷分布若金屬和半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為0，根據(jù)高斯定律，MOS器件中的總電荷必須為0，即正負(fù)電荷的面積應(yīng)相等2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

功函數(shù)差:MOS接觸前的能帶圖金屬的功函數(shù)金屬的費(fèi)米能級(jí)硅的電子親和能功函數(shù)：起始能量等于EF的電子，由材料內(nèi)部逸出體外到真空所

需最小能量。金屬的功函數(shù)：半導(dǎo)體的功函數(shù)金半功函數(shù)差（電勢(shì)表示）2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

功函數(shù)差:MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖條件：零柵壓，熱平衡接觸之后能帶圖的變化：MOS成為統(tǒng)一系統(tǒng)，0柵壓下熱平衡狀態(tài)有統(tǒng)一的EF

SiO2的能帶傾斜半導(dǎo)體一側(cè)能帶彎曲原因：金屬半導(dǎo)體Φms不為0零柵壓下氧化物二側(cè)的電勢(shì)差零柵壓下半導(dǎo)體的表面勢(shì)2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

平帶電壓氧化層中存在的正電荷可動(dòng)電荷：工藝引入的金屬離子陷阱電荷：輻照界面態(tài)：SiSio2界面Si禁帶中的能級(jí)氧化層中SiSio2界面存在的正的固定電荷氧化層內(nèi)的所有正電荷總的面電荷密度用QSS`等效，位置上靠近氧化層和半導(dǎo)體界面2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

平帶電壓QSS`對(duì)MOS系統(tǒng)的影響正Qss`在M和S表面感應(yīng)出負(fù)電荷S表面出現(xiàn)負(fù)電荷（耗盡的Na-、電子），能帶下彎，P襯表面向耗盡、反型過(guò)渡若

ms<0，因Q`ss>0，則VFB<0,如果沒(méi)有功函數(shù)差及氧化層電荷,平帶電壓為多少?平帶電壓VFB

：使半導(dǎo)體表面能帶無(wú)彎

曲需施加的柵電壓,抵消金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差和氧化層正電荷對(duì)半導(dǎo)體表面的影響4.0MOS電容

平帶電壓XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

閾值電壓:定義2023/2/6XIDIANUNIVERSITY閾值電壓：半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)所需的柵壓VG，

VT：VTN,VTP半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型，可認(rèn)為MOSFET溝道形成VG<VTN：Φs<2Φfp，襯底表面未強(qiáng)反型，溝道未形成VG>=VTN：Φs>=2Φfp，襯底表面強(qiáng)反型，溝道形成表面勢(shì)=費(fèi)米勢(shì)的2倍XIDIANUNIVERSITY2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容

閾值電壓:公式推導(dǎo)功函數(shù)差Vox0+s0=-

ms|Q'SDmax|=eNaXdTXIDIANUNIVERSITY2023/2/64.0MOS電容閾值電壓影響因素:柵電容COX影響：COX越大，則VTN越小；物理過(guò)程：COX越大，同樣VG在半導(dǎo)體表面感應(yīng)的電荷越多，

達(dá)到閾值反型點(diǎn)所需VG越小，易反型。COX提高途徑：45nm工藝前，減薄柵氧化層厚度;45nm工藝后，選擇介電常數(shù)大的絕緣介質(zhì)XIDIANUNIVERSITY2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容閾值電壓影響因素:摻雜濃度|Q'SDmax|=eNaXdTNa影響：Na越小，則VTN越?。晃锢磉^(guò)程：Na越小，達(dá)到反型所需耗盡的多子越少，

Q'SDmax越小，半導(dǎo)體表面易反型。

問(wèn)題：假定半導(dǎo)體非均勻摻雜，影響VT的是哪部分半導(dǎo)體的濃度？氧化層下方的半導(dǎo)體摻雜濃度影響VT可通過(guò)離子注入改變半導(dǎo)體表面的摻雜濃度，調(diào)整VT。2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS電容閾值電壓影響因素:氧化層電荷QSS`影響：QSS`越大，則VTN越??；物理過(guò)程：QSS`越大，其在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出的負(fù)電荷越多，達(dá)到反型所需柵壓越小，易反型注意：QSS`對(duì)VT影響的大小與襯底摻雜濃度有關(guān)，Na