14第二章-12(3.30)

微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院1场氧隔离的硅栅n阱CMOS剖面图AVDDVOUT12源区源区漏区漏区微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院22.形成反型层的条件•半导体表面处的电位称为表面电势，用Vs表示。•费米势VF描述半导体体内本征费米能级和费米能级之差。•设p型半导体电势为0。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院32.6.3阈值电压•阈值电压也称开启电压，是MOSFET的重要参数之一。•其定义是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压，记为VT。soxFBTVVVV微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院4外加栅压由三部分组成：•（1）平带电压；•（2）栅氧化层上产生的电压降；•（3）降在半导体表面的耗尽层上Vs=2VF。soxFBTVVVVoxfcmsFBCQVVoxBoxCQVVms为金属和半导体之间的功函数差；Qfc为在Si-SiO2界面处的栅氧化层内的电荷与界面态电荷的面密度；QB为强反型时半导体表面耗尽层电荷（又叫体电荷）面密度的最大值；Cox为单位面积栅氧化层电容。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院5影响阈值电压的因素：1.栅电极材料Vms•不同栅电极材料与硅衬底之间的功函数差不同。（功函数差Vms：费米能级上的电子形成自由电子需要的能量E0-EF。）•先进的CMOS工艺中，NMOS和PMOS器件分别采用n+和p+硅栅，这样有利于NMOS和PMOS的阈值电压对称。oxfcmsFBCQVVFoxBoxfcmssoxFBTVCQCQVVVVV2微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院62.栅氧化层•栅氧化层的质量和厚度都会影响阈值电压。通过严格控制栅氧化层质量，可以减少氧化层中的可动电荷，可以减小阈值电压的漂移。•增大栅氧化层的厚度将增大阈值电压。在MOS集成电路中，就是利用厚的场氧化层实现器件之间的隔离，因为厚氧化层的场区对应较大的阈值电压，使其下面的半导体表面不易反型。oxfcmsFBCQVVFoxBoxfcmssoxFBTVCQCQVVVVV2微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院73.衬底掺杂浓度•阈值电压公式中的后两项叫本征阈值，这是理想MOS器件的阈值电压。提高衬底的掺杂浓度可以提高本征阈值。•在MOS工艺中，一般都用离子注入调节阈值电压。由于只有沟道表面的杂质浓度对表面耗尽层电荷有贡献，因此可以用离子注入提高沟道表面的掺杂浓度，这样可以在不影响其他性能前提下得到合适的阈值电压。oxBFsoxTCQVVVV2FoxBoxfcmssoxFBTVCQCQVVVVV2微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院8•当电压VG达到阈值电压VT时，表面发生强反型后，如果继续增大VG，则半导体内感生电荷的变化主要是反型层载流子的增加。•发生反型后，因为反型层中积累的载流子屏蔽了外电场的作用，多子不再排斥，耗尽层电荷和表面势基本不再变化，xd不变，只有反型层载流子电荷随电压VG增加而增加。FoxBoxfcmssoxFBTVCQCQVVVVV2当VGVT时：xd微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院92.6.4MOSFET的电流－电压特性（VGVT)微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院10线性区：OA段•当VDS较小时，整个沟道长度范围内的电势都近似为0，栅极与沟道之间的电势差在沟道各点处近似相等，因此沟道中各点的自由载流子浓度近似相等。•沟道就像一个其电阻值与VDS无关的固定电阻，故ID与VDS成线性关系。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院11非饱和区（过渡区）：AB段•随着VDS增大，沟道中载流子浓度将随栅极与沟道之间电势差的减小而减小，因此沟道厚度就将随着向漏极靠近而逐渐减薄，故使沟道电阻增大。•当VDS增大到夹断电压VDsat时，沟道厚度在漏极处减薄到0，沟道在漏极消失，沟道被夹断。B点代表沟道开始夹断时的工作状态，称为过渡区。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院12饱和区：BC段•当VDSVDsat时，沟道夹断点向源区方向移动，在沟道与漏区之间隔着一段耗尽区。•当沟道内的载流子到达沟道端头的耗尽区边界时，将立即被耗尽区内的强电场扫入漏区，此时，载流子在耗尽区内的漂移速度达到了饱和速度，不再随电场的增大而增大，所以ID不随VDS增大而增大，故称为饱和区。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院13击穿区：CD段•当VDS增大到漏源击穿电压BVDS的值时，反向偏置的漏PN结会因雪崩倍增效应而发生击穿，或在源区和漏区之间发生穿通，这时，ID将迅速上升，称为击穿区。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院14亚阈区：•当栅压低于阈值电压，即VGVT时，虽然没有形成显著的导电通道，但在实际的MOSFET中，由于半导体表面呈弱反型，漏电流IDS并不为0，而是按指数规律随栅压变化。•通常称此电流为弱反型电流或亚阈值电流，主要由载流子的扩散引起。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院152.6.5衬底偏置效应•当衬底外加衬底偏压VBS后，MOSFET的特性将发生变化，这些变化称为衬底偏置效应，或体效应。•为了保证源-衬底与漏-衬底间的pn结反向偏置，对于n沟道器件，衬底通常接负偏压，对于p沟道器件衬底接正偏压。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院16体效应（衬底偏置效应）对半导体器件的影响：•（1）有些情况需要减小体效应，因为MOSIC中不是所有管子源极和衬底短接，体效应会造成阈值电压变化，影响电路性能；•（2）对于深亚微米及纳米器件则可以利用体效应实现动态阈值控制。以nMOS为例：•在器件截止时，加较大的负衬底偏压，使VT增大，减小亚阈值电流，有利于降低功耗；•在电路工作时，加小的正向衬底偏压，使VT减小，电流增大，有利于提高速度。FoxBoxfcmssoxFBTVCQCQVVVVV2微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院172.6.6MOS场效应晶体管的种类•若栅电压为0时未形成反型层导电沟道，必须在栅上施加电压才能形成沟道的器件称为增强型MOSFET;•若零偏压下存在反型层导电沟道，必须在栅上施加电压才能使沟道内载流子耗尽的器件称为耗尽型MOSFET。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院18•耗尽型n沟道器件：•如果MOSFET的p型半导体衬底的杂质浓度较低、金属半导体功函数差较大、氧化层内具有较多的正电荷，则即使在VGS=0时，能在源区和漏区中间的p型衬底发生强反型，使源极和漏极之间导电。微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院19微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院20各种场效应管的符号对比微电子学概论安徽大学物理与材料科学学院21作业1.不同种材料中载流子迁移率不同，同一种材料的载流子迁移率相同么？说明原因。2.空间电荷区是由电子、空穴还是由施主离子、受主离子构成的？空间电荷区又称为耗尽区，为什么？3.PN结处于反向偏置时，耗尽区的宽度是增加还是减小，为什么？4.解释PN结的正向注入效应和反向抽取作用。5.说明BJT的结构特点及其载流子的输运过程。6.晶体管的三种工作状态。7.讨论PMOS晶体管的工作原理。8.说明什么是反型层及形成反型层的条件。9.阈值电压的表达式以及影响阈值电压的因素。10.MOS场效应晶体管的基本结构以及如何区分源漏极。11.解释当VGVT时，MOSFET的电流－电压特性。