場(chǎng)效應(yīng)器件物理CVMOS原理

場(chǎng)效應(yīng)器件物理CVMOS原理第1頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性什么是C-V特性MOS電容C`=dQ/dV=Cox與Cs`的串聯(lián)器件電容定義:相當(dāng)于金屬電容與半導(dǎo)體電容串聯(lián)電阻越串越大，電容越串越小第2頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性理想MOS電容C-V特性電容-電壓特性測(cè)試曲線直流電壓：決定器件工作點(diǎn)，調(diào)整大小使MOS先后處于堆積、平帶、耗盡、本征、反型幾種狀態(tài)交流電壓：幅值比較小，不改變半導(dǎo)體的狀態(tài)測(cè)量電源：MOS外加?xùn)艍?，在直流電壓上疊加一交流小信號(hào)電壓。第3頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性堆積狀態(tài)加直流負(fù)柵壓，堆積層電荷能夠跟隨交流小信號(hào)柵壓的變化。直觀：相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容公式：面電荷密度隨表面勢(shì)指數(shù)增加。第4頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性平帶狀態(tài)所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導(dǎo)體表面能帶無(wú)彎曲第5頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性耗盡狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨交流小信號(hào)柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容CSD`C’相當(dāng)與Cox與Csd’串聯(lián)第6頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性強(qiáng)反型狀態(tài)閾值反型點(diǎn)：CV曲線分高低頻。原因：和反型層電荷的來(lái)源密切相關(guān)。第7頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性反型層電荷來(lái)源2023/3/25

反型層電荷來(lái)源：（熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少子）1、P襯少子電子通過(guò)耗盡層到反型層（擴(kuò)散+漂移）2、耗盡層中熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子漂移到反型層。半導(dǎo)體始終存在熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程，不斷有電子空穴對(duì)的產(chǎn)生復(fù)合。熱運(yùn)動(dòng)：電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，電子熱運(yùn)動(dòng)掙脫共價(jià)鍵束縛的過(guò)程交流信號(hào)正向變化對(duì)應(yīng)電子產(chǎn)生過(guò)程，負(fù)向變化對(duì)應(yīng)電子復(fù)合過(guò)程;少子的產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程需要時(shí)間。反型層電荷是否跟得上信號(hào)變化與信號(hào)變化快慢相關(guān)：第8頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性強(qiáng)反型狀態(tài)(低頻)加大的正直流柵壓：半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型狀態(tài)交流柵壓變化較慢：反型層電荷跟得上柵壓的變化直觀：相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容公式：面電荷密度隨表面勢(shì)指數(shù)增加。中反型：近似認(rèn)為只改變耗盡層電荷到只改變反型層電荷之間的過(guò)渡區(qū)第9頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性反型狀態(tài)(高頻)加較大的直流正柵壓：半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型狀態(tài)交流柵壓變化較快：反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有耗盡層電荷對(duì)C有貢獻(xiàn)?？傠娙荩拷涣餍⌒盘?hào)：耗盡層寬度乃至耗盡層電容隨柵壓變化微弱?？傠娙葜担康?0頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性

n型與p型的比較p型襯底MOS結(jié)構(gòu)n型襯底MOS結(jié)構(gòu)第11頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性氧化層電荷的影響-----++例圖:因?yàn)镼ss均為正電荷,需要額外犧牲負(fù)電荷來(lái)中和界面的正電Q`ss使得S表面處于任狀態(tài)時(shí)與無(wú)Q`ss相比VG都左移.但每一狀態(tài)下的C`并不會(huì)發(fā)生變化：(例C`FB始終不變)

每個(gè)狀態(tài)VG變，不改變vg對(duì)Q`S的作用VG移量相等:

Q`ss不是柵壓的函數(shù)，柵壓改變不影響Q`ss大小---第12頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性界面陷阱的分類(lèi)被電子占據(jù)（在EFS之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在EFS之上）為中性被電子占據(jù)（在EFS之下）為中性，不被電子占據(jù)（在EFS之上）帶正電（界面陷阱）界面電荷是柵壓的函數(shù)?柵壓會(huì)改變半導(dǎo)體表面的EF相對(duì)位置界面態(tài)：半導(dǎo)體界面處禁帶寬度中的電子能態(tài)。第13頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.2C-V特性

界面陷阱的影響:本征本征態(tài)本征態(tài)：界面電荷不帶電，對(duì)C-V曲線無(wú)影響禁帶中央：CV曲線實(shí)虛線重和第14頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.2C-V特性

界面陷阱的影響:本征前本征之前：EFi>EF，總有施主態(tài)在EFS之上，施主態(tài)失去電子界面陷阱帶正電。正施主態(tài)數(shù)量是柵壓的函數(shù)。C-V曲線左移，左移量隨柵壓不等------+++本征態(tài)---陷阱電荷使得S表面處于本征之前任狀態(tài)時(shí)VG都左移.每一狀態(tài)下的C`并不會(huì)發(fā)生變化：(例C`FB始終不變)VG左移量隨柵壓不等例圖:需要額外犧牲三個(gè)負(fù)電荷來(lái)中和界面態(tài)的正電第15頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/25本征之后：EFi<EF，總有受主態(tài)得到電子，界面陷阱帶負(fù)電，負(fù)受主態(tài)數(shù)量是柵壓的函數(shù)。C-V曲線右移，右移量隨柵壓不等1.2C-V特性

界面陷阱的影響:反型狀態(tài)+++例圖:需要額外犧牲三個(gè)正電荷來(lái)中和界面態(tài)的負(fù)電,閾值電壓升高++++++___陷阱電荷使得S表面處于本征之后狀態(tài)時(shí)VG右移.每一狀態(tài)下的C`并不會(huì)發(fā)生變化：(例C`T不變)VG右移量隨柵壓不等第16頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.2C-V特性需掌握內(nèi)容理想情況CV特性CV特性概念和CV特性測(cè)試原理MOS電容在不同半導(dǎo)體表面狀態(tài)下的特點(diǎn)和公式頻率特性高低頻情況圖形及解釋思考：閾值反型點(diǎn)后若直流電壓變化快，CV曲線如何？非理想CV曲線氧化層電荷對(duì)CV特性影響界面態(tài)產(chǎn)生、分類(lèi)及對(duì)CV特性影響第17頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3

MOSFET原理

本節(jié)內(nèi)容MOSFET基本結(jié)構(gòu)電流電壓關(guān)系——概念電流電壓關(guān)系——推導(dǎo)跨導(dǎo)和溝道電導(dǎo)襯底偏置效應(yīng)第18頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理MOSFET結(jié)構(gòu)4端器件：S：source提供載流子的終端D：drain收集載流子的終端G：gate,起控制（開(kāi)關(guān)）作用B：body，襯底體區(qū)，襯底電極MOSFET:

Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistor：

電壓控制電流—>場(chǎng)效應(yīng)晶體管

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（InsulatedGate,IGFET）柵極與其它電極之間是相互絕緣的MIS（Metal-Insulated-Semiconductor）黑（灰）色部分可以理解為兩種材料界面或空間電荷區(qū)，一般書(shū)中不畫(huà)。第19頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

MOSFET結(jié)構(gòu)溝道長(zhǎng)度L：柵氧下方源漏之間半導(dǎo)體的長(zhǎng)度.溝道寬度W：與溝長(zhǎng)垂直的水平方向的源漏區(qū)寬度柵氧厚度toxMOS電容：外加VG，氧化層下方半導(dǎo)體表面可能形成反型層，連接SD區(qū)，就是MOSFET的導(dǎo)電溝道。第20頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理MOSFET分類(lèi)(1)

n溝道MOSFET：NMOSp溝道MOSFET：PMOS分類(lèi)方法1：按照溝道載流子的導(dǎo)電類(lèi)型分溝道電流：VGS>VT，加VDS

NMOS(VDS>0)；PMOS(VDS<0)第21頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

MOSFET分類(lèi)(2)n溝道增強(qiáng)型MOSFET(E型：Enhancement)零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTN>0n溝道耗盡型MOSFET(D型：Delption)零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTN<0問(wèn)題：不進(jìn)行專門(mén)的N型摻雜，能否形成耗盡型NMOS？？分類(lèi)方法2：0柵壓是否存在反型溝道分第22頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理MOSFET分類(lèi)(3)

p溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP<0p溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTP>0思考：N襯表面若不進(jìn)行專門(mén)的P型摻雜，能否形成耗盡型PMOS?第23頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理MOSFET分類(lèi)(4)四種MOS晶體管N溝增強(qiáng)型；N溝耗盡型；P溝增強(qiáng)型；P溝耗盡型第24頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理

VGS的作用VT：MOS電容半導(dǎo)體表面是否強(qiáng)反型的臨界電壓。強(qiáng)反型層存在-----MOSFET的溝道存在。VT：剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓VGSvGS

越大，溝道載流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。第25頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理

VDS的作用場(chǎng)感應(yīng)結(jié)：n型溝道和P型襯底。VDS使溝道上壓降從源到漏增加，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)反偏壓增加，耗盡層增厚，柵上電壓不變，反型層厚度漸2023/3/25VDS的作用：（VGS>VT） 形成溝道電流：NMOS(VDS>0)PMOS(VDS<0)載流子遷移率為表面遷移率，不等于體內(nèi)u。對(duì)Vox起抵消作用：溝道從源到漏厚度漸溝道x點(diǎn)處溝道電荷Qn`=COX（VGS-Vx-VT）第26頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理

IV特性共源連接NMOSFET：輸入端：GS,輸出端：DS輸出特性轉(zhuǎn)移特性偏置特點(diǎn)：VGS>VTN,VDS>0溝道形成形成溝道電流：對(duì)VGS起抵消作用：溝道從源到漏厚度漸第27頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(1)線性區(qū)第28頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(2)過(guò)渡區(qū)第29頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(3)飽和點(diǎn)溝道夾斷點(diǎn)X：反型層電荷密度剛好近似=0

VGX=VT,VXS=VDS(sat)第30頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

ID隨VDS的變化(4)飽和區(qū)第31頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理轉(zhuǎn)移特性曲線n溝道MOSFETp溝道MOSFETVGSVGSVGS

越大，溝道載流子越多，在相同的漏源電壓VDS作用下，漏極電流ID越大。反型層形成后，因反型層在G和B間起屏蔽作用，即VGS變，電荷由S和D提供，非襯底。第32頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理輸出特性曲線四個(gè)區(qū)：（I）線性區(qū)：VGS>VT,VDS<(VGS-VT),可變電阻區(qū)（壓控電阻）。（II）飽和區(qū)：VGS>VT,VDS>(VGS-VT)，恒流區(qū)（壓控電流源）。

（III）擊穿區(qū)：反向偏置的漏襯結(jié)雪崩倍增而擊穿。（IV）截止區(qū):VGS<VT。第33頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理輸出特性曲線簇n溝增強(qiáng)型n溝耗盡型P溝在第3象限，越負(fù)電流越大第34頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3

MOSFET原理

需掌握內(nèi)容MOSFET基本結(jié)構(gòu)、種類(lèi)、橫截面圖、符號(hào)圖MOSFET基本工作原理電流電壓關(guān)系——定性物理過(guò)程輸出特性曲線四個(gè)區(qū)的劃分轉(zhuǎn)移特性曲線三個(gè)區(qū)的劃分第35頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:結(jié)構(gòu)模型p型襯底、n型溝道MOSFET0第36頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:基本假設(shè)溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的柵氧化層中無(wú)電流緩變溝道近似（長(zhǎng)溝器件），即垂直于溝道方向上的電場(chǎng)變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上的電場(chǎng)變化，EX為常數(shù)氧化層中的所有電荷均可等效為Si-SiO2界面處的有效電荷密度QSS`溝道中的載流子遷移率與空間座標(biāo)無(wú)關(guān)忽略SD區(qū)體電阻和金屬電極間的接觸電阻，VDS完全降在溝道上。第37頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/25高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介電常數(shù)某閉合表面沿閉合表面向外法線方向的電場(chǎng)強(qiáng)度該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量1.3MOSFET原理

I-V特性:表面電荷第38頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:氧化層電勢(shì)第39頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:反型層電荷與電場(chǎng)氧化層電勢(shì)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝道方向的電場(chǎng)反型層單位面積的電荷第40頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:溝道電流電流密度電流強(qiáng)度漏源電流強(qiáng)度不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）第41頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:溝道電流漏源電流強(qiáng)度第42頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)第43頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:影響漏極電流Id的因素為增益因子，或稱幾何跨導(dǎo)參數(shù)影響漏極電流ID大小的因素（1）溝道的寬長(zhǎng)比；（2）載流子（電子或空穴）的遷移率μ；（3）柵氧化層電容；（4）開(kāi)啟電壓VT；（5）偏置VGS。第44頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

I-V特性:提高器件ID驅(qū)動(dòng)能力的途徑在工作電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)提高器件偏置電壓VGS材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)第45頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理μ和VT的測(cè)試提取方法高場(chǎng)下遷移率隨電場(chǎng)上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強(qiáng)型第46頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理p溝增強(qiáng)型MOSFET的I-V特性第47頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理跨導(dǎo):模型跨導(dǎo)：VDS一定時(shí)，漏電流隨VGS變化率。表征FET放大能力的重要參數(shù)（晶體管增益），反映了VGS

對(duì)ID

的控制能力。單位S(西門(mén)子)，一般為幾毫西(mS)。第48頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理跨導(dǎo):表達(dá)式VGS一定時(shí)，飽和區(qū)跨導(dǎo)>線性區(qū)跨導(dǎo)器件放大應(yīng)用，一般工作在飽和區(qū)。原因？第49頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理跨導(dǎo)影響因素Ⅰ.VGS較小：β與VGS無(wú)關(guān)，gms∝VGSⅡ.VGS較大：VGS↑=>表面散射↑=>μ↓=>β↓；gms隨VGS↑而↑變緩

Ⅲ.VGS為一較大值：β∝μ∝1/(VGS-VT),gms隨VGS↑達(dá)到最大

IV.VGS很大：gms隨VGS↑而↓第50頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理

跨導(dǎo)影響因素:RS、RD的影響

Rs對(duì)MOS管跨導(dǎo)影響，gmeffRs降低了跨導(dǎo)（晶體管增益），而且Rs越大，降低程度越大Rs=0,

VGS=V'GS;Rs不等于0,

VGS=V'GS+ID*RS;第51頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理跨導(dǎo):提高途徑材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)在工作電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)提高器件偏置電壓VGS降低串聯(lián)電阻RS第52頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理（溝道電導(dǎo)）漏導(dǎo):模型溝道電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：VGS一定時(shí)，漏電流隨VDS的變化率表明線性區(qū)導(dǎo)通能力（導(dǎo)通電阻）器件開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，一般工作在線性區(qū)。原因？第53頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理漏導(dǎo):影響因素增加線性區(qū)溝道電導(dǎo)的途徑？非飽和區(qū)漏導(dǎo)等于飽和區(qū)跨導(dǎo)第54頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/251.3MOSFET原理漏導(dǎo):RS,RD影響RS，RD：SD電極間電阻增加，電導(dǎo)下降Rs=0,RD=0，VDS`=VDSRs,RD不等于0,VDS`=VDS-ID*(RS+RD)Rs，RD對(duì)MOS管跨導(dǎo)影響，gdeff第55頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3

MOSFET原理

需掌握內(nèi)容電流電壓關(guān)系—推導(dǎo)理解緩變溝道近似線性區(qū)和飽和區(qū)IV關(guān)系的推導(dǎo)跨導(dǎo)定義、公式和影響因素溝道電導(dǎo)定義、公式和影響因素第56頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/251.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(1)≥0必須反偏或零偏I(xiàn)C中襯底電位的接法第57頁(yè)/共67頁(yè)2023/3/252023/3/252023/3/251.3MOSFET原理

襯底偏置效應(yīng)(2)VSB>0源區(qū)電勢(shì)能=-e(VD+VSB)VSB=0源區(qū)電勢(shì)能=-eVD源襯結(jié)能帶圖：襯底0勢(shì)能參考點(diǎn)