微電子器件課件帶標(biāo)注

4.2 MOSFET

的閾電壓閾電壓：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為閾電壓（或開啟電壓），記為VT

。強反型：當(dāng)硅表面處的少子濃度達(dá)到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時，稱為表面發(fā)生了強反型。IDVGS0

VT溝道定性去理解這個推導(dǎo)過程4.2.1 MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓本小節(jié)推導(dǎo)P

型襯底MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓。在推導(dǎo)閾電壓的表達(dá)式時可近似地采用一維分析，即認(rèn)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)生的縱向電場所決定，而與漏極電壓產(chǎn)生的橫向電場無關(guān)。(

)AFPiFikT

N1qq

n上圖中，f=E

-

E

=ln

>

01、理想MOS

結(jié)構(gòu)（金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差fMS

=0，柵氧化層中的電荷面密度QOX

=0

）當(dāng)VG

=0

時的能帶圖稱為P

型襯底的費米勢。fS

稱為表面勢，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q

。COX

為單位面積的柵氧化層電容。2、實際MOS

結(jié)構(gòu)（fMS

<0，QOX>0）當(dāng)VG

=0

時的能帶圖qfSOXMSCS+

QOXf

=

-f3、實際MOS

結(jié)構(gòu)當(dāng)VG

=VFB

時的能帶圖時，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，這時fS

=0，硅表面呈電中性。VFB

稱為平帶電壓。COX

代表單OXG

FB

MSC當(dāng)V-

QOX=V

”

fOXOXT位面積的柵氧化層電容，C=eOX

，TOX

代表柵氧化層厚度。4、實際MOS

結(jié)構(gòu)當(dāng)VG

=VT

時的能帶圖強反型的定義：使表面處的EF

-EiS=qfFP

，這時能帶總的彎曲量是2qfFP

，表面勢為fS

=fS,inv

=2fFP

。外加?xùn)烹妷撼^VFB

的部分（VG

-VFB）稱為有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的VOX與降在硅表面附近的表面電勢fS

，即VG

–

VFB

=

VOX

+

fS表面勢fS

使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎曲量是2qfFP

，表面勢為2fFP

，于是可得VT

–

VFB

=

VOX

+

2fFPVT

=

VFB

+

VOX

+

2fFP理解這個公式電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而QS又是耗盡層電荷QA

與反型層電荷Qn

之和。,

QM

和QS

分別代表金屬一側(cè)的OX

OXOXC

C上式中，V=

-

QS=

QM-QAQM-QnCOX}-QSP可得MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓為FPOXFPAOXMST+

2f-Q

(2f

)C

C-

QOXV

=

fTFBOXFP=V

+V

+2f

中，OXFB

MSC再將V-QOX

和上式代入V=

f關(guān)于QA

的進(jìn)一步推導(dǎo)在以后進(jìn)行。作為近似，在強反型剛開始時，可以忽略Qn。QA

是fS

的函數(shù)，在開始強反型時，QA

(fS

)=QA

(2fFP

)，故得OX

OXOXC

C?

-

QA

(2fFP

)V

=

-

QS1、閾電壓一般表達(dá)式的導(dǎo)出MOSFET

與MOS

結(jié)構(gòu)的不同之處是：a)柵與襯底之間的外加電壓由VG變?yōu)?VG-VB)，因此有效柵電壓由(VG

-VFB

)變?yōu)?VG

-VB

-VFB

)。4.2.2 MOSFET

的閾電壓FPOXFPAOX+

2f-CQ

(2f

)C-

QOXVT

=

VB

+fMSb)有反向電壓(VS

-VB

)加在源、漏及反型層的PN

結(jié)上，使強反型開始時的表面勢fS,inv

由2fFP

變?yōu)?2fFP

+VS

-VB

)。外加反向電壓時的PN

結(jié)能帶圖，稱為體因子。1COX式中，K

=(2q

NAes

)2A

S,invS,invOXCQ

(f

)VT

=VB

+VFB

-+f因此MOSFET

的閾電壓一般表達(dá)式為OX

OXC

CQA

(fS,inv

)(2q

NAes

)2=

-1

1(2fFP

+VS

-VB

)2

=

-K

(2fFP

+VS

-VB

)2以下推導(dǎo)QA

的表達(dá)式。對于均勻摻雜的襯底，1q

NQA

(fS,inv

)

=

-q

NA

xd

=

-q

NA

A

2esfS,inv

21=

-

2q

NAes

(2fFP

+VS

-VB

)

21于是可得N

溝道MOSFET

的閾電壓為OXQOX1VT

=

VB

+VFB

+

K

(2fFP

+VS

-VB

)2

+

2fFP

+VS

-VB=

fMS

-

C1+

K

(2fFP

+VS

-VB

)2

+

2fFP

+VS注意上式中，通常VS

>0，VB

<0

。當(dāng)VS

=0

，VB

=0

時，F(xiàn)P1FP

)2OXMST+

2fCV

=

f

-

QOX

+

K

(2f這與前面得到的MOS

結(jié)構(gòu)的閾電壓表達(dá)式相同。教材上P溝道的閾電壓公式是有問題的稱為N

型襯底的費米勢。同理，P

溝道MOSFET

當(dāng)VS

=0

，VB

=0時的閾電壓為1OX-

K

(-

2fFN

)2

+

2fFNQOXVT

=

fMS

-

C式中，(

)DFNiFiNkT1qq

nf

=E

-

E

=

-ln

<

01K

=

(2q

NDes

)2COXfFN

與fFP

可以統(tǒng)一寫為fFB，代表襯底費米勢。2、影響閾電壓的因素當(dāng)VS

=0，VB

=0

時，N

溝道與P

溝道MOSFET

的閾電壓可統(tǒng)一寫為FBADOXOXOXOXOXMSTeeQ

-

Q

+

2fT

TV

=

f

-VTfMS-

TOX

Qe

OXOX-

TOX

Qe

ADOX2fFBN溝+--++P溝-----影響閾電壓的因素FBADOXOXOXOXMSTee+

2f-

TOX

QQTV

=

f

-a)

柵氧化層厚度TOX一般來說，當(dāng)TOX

減薄時，|VT|

是減小的。早期MOSFET

的TOX

的典型值約為150

nm

，目前高性能MOSFET

的TOX

可達(dá)2

nm

以下。約為0.3

V

。fFB

=b)襯底費米勢fFBfFB

與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當(dāng)摻雜濃度為1015

cm-3

時，fFBiFP>0

(N

溝)q

n=

kT

ln

NAfiFN(P溝)q

nf

=

-

kT

ln

ND

<

0FBADOXOXOXMSTee+

2f-

TOX

Q-

TOX

QV

=

fc)

功函數(shù)差fMSfMS

與金屬種類、半導(dǎo)體導(dǎo)電類型及摻雜濃度有關(guān)。對于Al

~

Si

系統(tǒng)，-0.6

V

～-1.0

V

(N

溝)（見圖5-15）FBADOXOX

OXOXMSTee+

2f-

TOX

QQTV

=

f

-fMS

=-0.6

V

～-0.2

V (P

溝)當(dāng)N

=1015

cm-3

時，-0.9

V

(N溝)fMS

=-0.3

V (P

溝)d)耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度QAD由于fFB

與摻雜濃度N

的關(guān)系不大，故可近似地得到1ADN

2QADQAD

=(N

溝)(P

溝)1QA

=

-qNA

xd

=

-(4qNAesfFP

)2

<

0,1QD

=

qND

xd

=

(-4qNDesfFN

)2

>

0,FBADOXOXOXOXMSTee+

2f-

TOX

QQTV

=

f

-QOXCOX調(diào)整閾電壓主要是通過改變摻雜濃度N（例如離子注入）和改變柵氧化層厚度TOX

來實現(xiàn)。=

1.8V~

3.0

VFBADOXOX

OXe)

柵氧化層中的有效電荷面密度QOXQOX

與制造工藝及晶向有關(guān)。MOSFET

一般采用（100）晶面，并在工藝中注意盡量減小QOX

的引入。在一般工藝條件下，當(dāng)TOX

=150

nm

時，MSTee+

2f-

TOX

Q-

TOX

QV

=

f3、離子注入對閾電壓的調(diào)整設(shè)注入的雜質(zhì)濃度為階梯形分布，且注入深度R

小于溝道下的襯底耗盡區(qū)最大厚度x￠dmax

，NA￠NARxd￠max0xdmax

x以NI

代表離子注入所新增加的雜質(zhì)濃度，N￠A

=NA

+NI

；以QI

=-qNIR

代表離子注入后在耗盡區(qū)新增加的電離雜質(zhì)電荷面密度，則經(jīng)離子注入調(diào)整后的閾電壓為1TMSFPOXOXC

C

C4efQ

Q

Q qN

R2

2V

￠=

f+

2f-

OX

-

I

-

A

1-

I

OX

s

FP

閾電壓的調(diào)整量為12Q

Q

qN

R24esfFPDVT=

-

I

-

A

1-

I

COX

COX

-14、襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）1VT

=VFB

+

K

(2fFP

-VBS

)2

+

2fFP12FP

-1

>

0FP

21

1

-=02fVBS=

K

(2f

)DVT