第八章 MOS场效应晶体管

半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管1第八章MOS场效应晶体管半导体器件物理PhysicsofSemiconductorDevices2007,3,30半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管2本章内容提要MOSFET的基本结构MOSFET的基本工作原理MOSFET的分类MOSFET的阈值电压MOSFET的直流特性MOSFET的频率特性MOSFET的击穿、功率、开关、温度、噪声特性MOSFET的短沟道和窄沟道效应半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管3MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor)有许多种缩写形式，如IGFET、MISFET、MOST等。n沟道MOSFET的透视图如图所示。8.1MOSFET的基本结构它是一个四端点器件，由一个由两个n+区域(即源极(Source)与漏极(Drain))的p型半导体所组成。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管48.1MOSFET的基本结构氧化层上方的金属称为栅极(Gate)，高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅可作为栅极电极，第四个端点为一连接至衬底(Bulk)的欧姆接触。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管58.1MOSFET的基本结构基本的器件参数有：沟道长度L、沟道宽度Z、氧化层厚度d、源、漏区结深度xj、衬底掺杂浓度NA。器件中央部分即为MOS二极管。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管6MOSFET中源极接点作为电压的参考点。当栅极无外加偏压时，源极到漏极电极之间可视为两个背对背相接的p-n结，而由源极流向漏极的电流只有反向漏电流。MOSFET的基本工作原理8.2MOSFET的基本工作原理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管78.2MOSFET的基本工作原理MOS场效应晶体管的工作偏置图当外加一足够大的正电压于栅极上时，MOS结构将被反型，以致于在两个n+型区域之间形成表面反型层即沟道(channel)。源极与漏极通过这一导电的表面n型沟道相互连结，并可允许大电流流过。沟道的电导可通过栅极电压的变化来加以调节。衬底偏压亦会影响沟道电导。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管88.2MOSFET的基本工作原理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管9依据反型层的形式，MOSFET有四种基本的形式。假如在零栅极偏压下，沟道的电导非常低，必须在栅极外加一正电压以形成n沟道，则此器件为增强型(或称常关型)n沟道MOSFET。如果在零偏压下，已有n沟道存在，而必须外加一负电压来排除沟道中的载流子，以降低沟道电导，则此器件为耗尽型(或称常开型)n沟道MOSFET。同样也有p沟道增强型与耗尽型MOSFET。MOSFET的种类8.3MOSFET的分类半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管108.3MOSFET的分类类型N沟MOSFETP沟MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底P型N型S、D区N＋区P＋区沟道载流子电子空穴VDS大于零小于零IDS方向由D—S由S—D阈值电压VT0VT0VT0VT0电路符号半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管118.3MOSFET的分类类型剖面图输出特性转移特性)(N沟增强型)(n常开)(p常闭)(p常开+G+n+np+DDI沟道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-沟道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI常闭)(N沟耗尽型)(P沟增强型)(P沟耗尽型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI沟道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-沟道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-沟道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0TnVDITpV0GVDI+-TpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+0TnVDIGV-+-0GVDI+-0GVDI半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管128.4MOSFET的阈值电压阈值电压(ThresholdVoltage)的定义：MOSFET阈值电压VT是金属栅下面的半导体表面呈现强反型、从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电电子很少，反型层的导电能力较弱，因此漏电流也比较小。在实际应用中往往规定漏电流达到某一值时的栅源电压为阈值电压。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管138.4MOSFET的阈值电压概念上讲,VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。它由两个分量组成,即:VT=Vs+VoxVs：Si表面电位;；Vox：SiO2层上的压降。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管14一、金属栅上产生的面电荷密度QG；二、栅绝缘层中的面电荷密度Qox;三、反型层中导电电子电荷面密度Qn；四、半导体表面耗尽层中空间电荷面密度QB；由电中性条件：QG+Qox+Qn+QB=08.4MOSFET的阈值电压8.4.1MOSFET阈值电压表达式8.4.1.1MOS结构中的电荷分布(ChargeDistribution)半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管15MOS二极管还受氧化层内的电荷以及SiO2-Si界面陷阱的影响。这些基本的陷阱与电荷的类型如图所示，包括有界面陷阱电荷(Interfacetrappedcharge)、氧化层固定电荷(fixedoxidecharge)、氧化层陷阱电荷(oxidetrappedcharge)以及可动离子电荷。界面陷阱与氧化层电荷：8.4MOSFET的阈值电压´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管16界面陷阱电荷Qit是由SiO2-Si界面特性所造成，且与界面处的化学键有关。这些陷阱位于SiO2-Si界面处。这些界面陷阱密度与晶体方向有关。在＜100＞方向，其界面陷阱密度约比＜111＞方向少一个数量级。目前在硅基上采用热氧化生成二氧化硅的MOS二极管中所产生的大部分界面陷阱，可用低温450℃的氢退火加以钝化。8.4MOSFET的阈值电压´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管17氧化层固定电荷Qf位于距离SiO2-Si界面约3nm处。此电荷固定不动，且即使表面电势有大范围的变化仍不会有充放电现象发生。一般来说，Qf为正值，且与氧化、退火的条件以及硅的晶体方向有关。一般认为当氧化停止时，一些离子化的硅留在界面处，而这些离子与表面未完全成键的硅结合(如Si-Si或Si-O键)，可能导致正的界面电荷Qf产生。8.4MOSFET的阈值电压´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管18氧化层陷阱电荷Qot常随着二氧化硅的缺陷产生，这些电荷可由如X光辐射或是高能量电子轰击而产生。这些陷阱分布于氧化层内部，大部分与工艺有关的Qot可以低温退火加以去除。8.4MOSFET的阈值电压´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管198.4MOSFET的阈值电压钠或其他碱金属离子的可动离子电荷Qm，在高温(如大于100℃)或强电场的工作条件下，可在氧化层内移动，可能会引发半导体器件稳定度的问题。并使得C-V曲线沿着电压轴产生位移。因此，在器件制作的过程中需特别注意以消除可动离子电荷。´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷´´´´´´´++++++-+-+-++aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管208.4.1.2MOS二极管MOS二极管在半导体器件物理中占有极其重要的地位，因为它是研究半导体表面特性最有用的器件之一。在实际应用中，MOS二极管是先进集成电路中最重要的MOSFET器件的枢纽。在集成电路中，MOS二极管亦可作为一储存电容器，并且是电荷耦合器件(CCD)的基本组成部分。半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0x欧姆接触2SiOAld0x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图5.1半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0x欧姆接触2SiOAld0x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图5.18.4MOSFET的阈值电压半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管218.4MOSFET的阈值电压半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0x欧姆接触2SiOAld0x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图5.1理想MOS二极管MOS二极管的透视结构如图(a)所示。图(b)为其剖面结构，其中d为氧化层的厚度，而V为施加于金属平板上的电压。当金属平板相对于欧姆接触为正偏压时，V为正值；而当金属平板相对于欧姆接触为负偏压时，V为负值。半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0x欧姆接触2SiOAld0x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图5.1半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院MOS场效应晶体管22右图为V=0时，理想p型MOS二极管的能带图。功函数(WorkFunction)为费米能级与真空能级之间的能量差(金属：qm；半导体：qs，qχ为电子亲和力，即半导体中导带边缘与真空能级的差值，qΨB为费米能级EF与本征费米能级Ei的能级差。真空能级mqsq金属型半导体Pd氧化层FEFEVEiECE2/gEBqq图5.2V=0时理想MOS二极管的能