金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET) PDF

第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 （MOSFET） 1. Lienfeld和Heil于上世纪30年代初提出了表面场效应晶体管原理。 2. 上世纪40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究。 3. 1960年Kahng和Alalla用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET. 4. MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。 5. MOSFET是英文缩写词。其它叫法...

第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 （MOSFET） 1. Lienfeld和Heil于上世纪30年代初提出了表面场效应晶体管原理。 2. 上世纪40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究。 3. 1960年Kahng和Alalla用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET. 4. MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。 5. MOSFET是英文缩写词。其它叫法：绝缘栅场效应晶体管 （IGFET）、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）、 金属-氧化物-半导体晶体管（MOST）等。 6. MOSFET的实质是用MOS电容取代了JFET的PN结。 第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 MOSFET 的 实 质 是 用 MOS 电 容 取 代 了 JFET 的 PN结。 MOS电容在反偏时半导体表面会出现反型层，从而成为源、漏 间的导电沟道。  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 MOS电容器的结构和能带图 一、理想MOS的基本假设： 无外加偏压时， 1. 氧化物及界面处无电荷； 半导体能带平直。 2. 金属和半导体间功函数差为零； 3. SiO2为良好绝缘体，可阻挡直流电流流过。即使有外加偏压， SCR也处于热平衡态，SCR中Ef与体内持平，为常数。 6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 Na小 Na 大 加上电压VG 时MOS结构内的 电位分布.  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 Na小 Na 大 按照耗尽层近似，如果半导体 掺杂均匀，SCR内电势是空间 坐标的二次函数。 加上电压VG 时MOS结构内的 电位分布. 6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 2. 理想MOS的表面类型 （以p-Si为例）：  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 2. 理想MOS的表面类型 （以p-Si为例）： 由耗尽层近似，求解Possion方程，可得：  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 2. 理想MOS的表面类型 （以p-Si为例）：  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 2. 理想MOS的表面类型（以p-Si为例）： (4)反型和强反型条件： ③强反型性质：强反型后， VG再增大，导带电子在很薄的强反型层中 迅速增加，屏蔽了外电场，于是SCR的势垒高度、表面势、固定的电 离受主、以及SCR宽度等基本保持不变。增大的那部分电压几乎降落 在氧化层上。 外电场 → 改变半导体表面的载流子浓度或导电型号；反型层 → 导电沟道；这种外电场控制半导体表面导电能力和性质的现象，称 为半导体的表面场效应 → MOSFET 的工作基础。  6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 2. 理想MOS的表面类型（以p-Si为例）： 对于N型半导体，情形完全类似！  6.2 理想MOS电容器 一、MOS电容的C-V关系： 1. MOS结构的电容效应： dQM 单位面积 VG → QM , QS → MOS的电容效应； C  dVG MOS电容 2. MOS结构的C~VG关系： 研究半导体表面性质的重要方法 1 dVG dV0 d s 1 1 dQM dQM = = + = + Co  ， Cs . C dQM dQM dQM Co C s dV0 d s C o Cs C 1 C= 或 = 归一化电容 Co +Cs Co 1+Co /Cs S o 氧化层电容近似为平行板电容 M Co  Co Cs x0 不随栅压变化，C由Cs决定。  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 1. 积累层（VG>P0 Cs >>Co C 1 积累层 C / Co = 1 1 Co 1+Co /Cs  s  → Cs  → C/Co  VG 2. 平带情况（VG=0）： O 归一化电容随栅压的变化 平带时：VG = 0, → ψs= 0, → Ps= P0 − ( x )/VT 平带附近： ( x)  VT， P(x ) = P0 e  P0 (1 − ( x) / VT )  ( x) = q(P(x) − P0 ) = −qP0 ( x) / VT  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 2. 平带情况（VG=0）：  ( x) = q(P(x) − P0 ) = −qP0 ( x) / VT d 2 ( x)  ( x) qP0 ( x) 泊松方程： = − = dx 2 s  sVT d 2 ( x)  ( x) 令： LD =  sVT / qP0 德拜长度 2 = 2 dx LD  ( x) = Ae− x / LD + Be x / LD A = s  ( x) =  s e− x / LD  () = 0,  (0) =  s B=0  ( x) = −qP0 s e − x / L / VT D −qP0 s  s s  Qs = LD = − Qs =   ( x) dx VT LD 0  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 2. 平带情况（VG=0）：  s s dQs s 极板间距为LD Qs = − Cs  − = LD d s LD 的平行板电容 CFB 1 1 归一化平带电容： = = Co 1+Co /Cs 1+ o L D / s xo Na  LD  CFB / Co  积累层 C / Co 1 xo  Co  CFB / Co  Na CFB / Co Na 越大，或 xo 越大，归一化平带电容 VG 约接近于1。 O 归一化电容随栅压的变化  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 3. 耗尽层（VG > 0）： Qs = −qN a xd , xd = 2 s s / qN a Qs = − 2qN a s s dQs qN a s  s C 1 1 Cs  − = = = = d s 2 s xd Co 1+Co /Cs 1+ o xd / s xo 极板间距为 xd 的平行板电容 C / Co VG  s  Cs  xd  C / Co  积累层 1 Qs 具体地：VG =Vo +  s = − + s CFB / Co 耗尽层 Co qN a qN a 2 关于 xd 的一 VG = xd + xd 元二次方程 O Co 2 s 归一化电容随栅压的变化  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 3. 耗尽层（VG > 0）： 2 s 2 sVG 2 xd + xd − =0 关于 xd 的一元二次方程 Co qN a C / Co s  2Co2 VG  积累层 解之得： xd =  1+ − 1 1 C o  qN a s   CFB / Co 耗尽层 −1/2 C 1  2C VG 2 VG = = 1 + o  O Co 1+Co xd /  s  qN a s  归一化电容随栅压的变化 显然： VG  C / Co  Na  C / Co   6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 4. 反型层（VG > 0）： C与频率有关 QS = QI + QB QI: 反型层中载流子电荷； QB: 电离杂质电荷； dQS dQ I dQ B 反型层 xI SCR B− B− B− B− B− CS = − =− − − − − − − − xd d S d S d S QI B B B B B B QB P-Si QB: 由多子漂移实现，由介电弛豫时 C / Co 间 τd决定， τd ~ ps，变化很快。 积累层 耗 1 尽 QI: 由非平衡载流子产生与复合实现， CFB / Co 反型 低频 弛豫时间由少子寿命 τn决定， τn ~ μs， Cmin / Co 变化较慢。 高频 VG O 归一化电容随栅压的变化  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 4. 反型层（VG > 0）： C与频率有关 QS = QI + QB QI: 反型层中载流子电荷； QB: 电离杂质电荷； dQS dQ I dQ B 反型层 xI SCR B− B− B− B− B− CS = − =− − − − − − − − xd d S d S d S QI B B B B B B QB P-Si （1）高频: f : 104 ~ 107Hz C 形式 C / Co dQ I dQ B  s  0 CS  − = 与耗尽 耗 积累层 d S d S x d 层类似 1 尽 CFB / Co 反型 强反型时： xd  xd max = 4 s f / qN a 低频 Cmin / Co 强反型  f = VT ln ( N a / ni ) C = Cmin 高频 VG O Cmin / Co = (1 +  o xd max /  s xo ) −1 归一化电容随栅压的变化  6.2 理想MOS电容器 二、MOS电容随栅压的变化关系： （以M-O-(p-Si)为例） 4. 反型层（VG > 0）： C与频率有关 QS = QI + QB QI: 反型层中载流子电荷； QB: 电离杂质电荷； dQS dQ I dQ B 反型层 xI SCR B− B− B− B− B− CS = − =− − − − − − − − xd d S d S d S QI B B B B B B QB P-Si （2）低频: f : 10 ~ 1000Hz SCR宽度和QB变化很小 C / Co dQ I 耗 dQ I dQ B 积累层  CS  − 1 尽 d S d S d S CFB / Co 反型 低频 强反型时，QI在很薄的一层内随ψS速变化 Cmin / Co 强反型 ，因而，CS非常大，此时半导体强反型层 高频 VG 类似与金属极板。 C / C 1 O o 归一化电容随栅压的变化  6.3 沟道电导和阈值电压 一、沟道电导： 反型层 SCR xI x 1. 定义： 反型层导电沟道的电导。 QI d 微分电导（厚度为dx的薄层电导）： P-Si dG I =  I ( x) Zdx / L = qnI ( x) n Zdx / L 总的沟道电导： 0 qnI ( x) n Z xI G I =  dG I =  dx dx x xI 0 L x+dx QI = −  qnI ( x)dx 沟道电荷面密度 0 G I = − Q I n Z / L 沟道电导 xI L x 二、阈值电压： z y 2. 定义： 半导体表层形成强反型时 所需要的最小栅极电压。 x  6.3 沟道电导和阈值电压 二、阈值电压： 反型层 SCR xI x 2. 定义：半导体表层形成强反型时 QI d 所需要的最小栅极电压。 Qs P-Si VG = Vo + s = − + s Co 强反型时： QI QB  s =  si = 2 f Qs = QI + QB VG = − − +  si Co Co   QB  于是： Q = − C  V −  − +  si   = − Co ( VG − VTH ) 沟道电荷 面密度 I o G   Co   ( 4qN a s f ) 1/2 + 2 f 阈值 QB qN a xd max VTH = − + si = − + si = − Co Co Co 电压 当VG>VTH时，沟道电荷才会出现。QI受VG控制 → 场效应  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 一、功函数差的影响（以Al-SiO2-Si为例）： WAl  Wp − Si E FM  E FS 栅极电压为零时， ψS > 0，能带下弯。 若要能带平直，需在栅极施加平带电压： VFB = VG1 = ms = m − s E0 E0  qs  EC EC qm Ei EFM Ei E FS qVG1 qf EV E FS E FM EV Al Si (a )VG = 0 (b)VG1 = + q (m − s ) SiO2 Al-SiO2-Si结构的能带图  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 一、功函数差的影响（以Al-SiO2-Si为例）： 影响后果：1. C-V特性曲线沿电压轴向左平移 VG1 ； QB QB 2. 阈值电压变为： VTH =VG1 − + si =ms − + si Co Co VG1 < 0，所以，与理想情况相比，实际阈值电压减小了。 思考：要想半导体表面反型，能带 C / Co 积累层 必须下弯，即：VG > VTH; 由于功函 1 实际 CFB / Co 理想 数差的影响，未加栅压时，半导体 VG1 强反型 Cmin / Co 高频 表面能带已经下弯，所以只需更小 VG VG1O 的阈值电压就可以反型。 金属功函数差对C-V特性的影响  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 二、界面陷阱和氧化物电荷的影响： 1. 界面陷阱电荷Qit 与半导体表面的悬挂键有关 金属 金属 可动离子 N a+ + 可移动离子电荷 ++++ ++ （1）{100}面：Qit ~ 1010 cm-2 - −- − -− Na Qm 电荷Qm K+ + K （2）{111}面：Qit ~ 1011 cm-2 氧化物固定电荷 Q 氧化物陷阱电荷Q 氧化物陷阱电荷 Qitot 氧化物 SiO 2 + ++ + + 氧化物固定电荷Q f f 2. 氧化物固定电荷Qf + + 位于Si/SiO2界面附近3nm范围 × ×××   × × × ×  × （1）{100}面：Qf ~ 1010 cm-2 界面陷阱电荷 Qit 半导体 （2）{111}面：Qf ~ 5 × 1010 cm-2 界面陷阱电荷Qit Si Si-MOSFET多采用{100}晶面衬底 3. 氧化物陷阱电荷Qot 与高能离子辐射造成的缺陷有关 MOS结构氧化物中各种类型电荷 4. 可动离子电荷Qm 图 6-13 热氧化硅形成的 Si − SiO 2 系统中 与碱金属离子沾污有关，在高 的各类电荷 温、施加电压下工作时刻移动  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 二、界面陷阱和氧化物电荷的影响： 5. 四种电荷的综合影响： 可看做是Si/SiO2界面处的正电荷 （1）设QO为氧化层中位于x处一薄层中的单位面积正电荷，在金属和半 导体表面感应出负电荷，分别为QM和QS。 ρ QO QO = QM + QS QS < 0，半导体表层能带下弯 要使能带平直，需施加负栅极电压VG2，使得： Metal Si QO = QM 于是： VG2 = −QO / C， C =  O / x O x xO x QO x Oxide QS 所以： VG2 = − 若 x → 0, 则 VG2 → 0。 QM Co xo + - + VG2=0 + VG2< 0 - + + - + + - + + - + + - + + - + + - + Q M QO QS Q M QO  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 二、界面陷阱和氧化物电荷的影响： ρ(x) （2）设氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度ρ(x). x 则：x—x+dx 薄层内正电荷的面密度为ρ(x)dx. o xo x x+dx x—x+dx 薄层内正电荷对平带电压的贡献为: M O S 1 x dVG 2 = −  ( x)dx Co xo 1 xo x Qo  总的平带电压： VG 2 = dVG 2 = − Co 0 xo  ( x) dx = − Co xo x 其中： Q o =   ( x)dx 有效面电荷密度 0 x o 影响效果：相当于所有正电荷都集中在Si/SiO2界面处，且面电荷密度Qo. Qo 氧化层电荷引起的平带电压： VG 2 = − Co  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 三、阈值电压和C-V曲线： Qo （1）总的平带电压： VFB =VG1 +VG 2 =ms − Co Q Q Q （2）总的阈值电压： VTH =VFB − B + si =ms − o − B + si Co Co Co 第一项Φms ：消除金属和半导体功函数差影响所需的外加栅压； 第二项-Qo/Co: 消除氧化层中正电荷影响所需的外加栅压； 第三项-QB/Co: 刚出现强反型时，降落在氧化层上的压降； 第二项ψsi: 刚出现强反型时，降落在半导体表层SCR上的压降； （3）修正后的沟道电荷： Q I = − Co ( VG − VTH ) 这里VTH是指修正后的阈值电压  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 三、阈值电压和C-V曲线： C / Co 积累层 （4）平带电压对C-V曲线的影响： 1 一般 VFB < 0. 实际 CFB / Co 理想 VFB 实际MOS的有效栅极电压： VG − VFB Cmin / Co 强反型 高频 理想C-V曲线沿电压轴整体向左平移：VFB VFBO VG 【例6-1】N型Si衬底的Al栅MOSFET， 平带电压对C-V特性的影响 Nd=1015cm-3, xo=120nm，Si/SiO2界面处电荷密度Qo=3×1011cm-2, 计算阈值电压VTH. 【解】分析：这是P沟道器件。理想情况下，阈值电压VTH< 0。无论是何种沟道， 实际阈值电压的基本公式不变，即： QB Qo QB VTH =VFB − + si =ms − − + si Co Co Co  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 三、阈值电压和C-V曲线： 【例6-1】N型Si衬底的Al栅MOSFET，Nd=1015cm-3, xo=120nm， Si/SiO2界面处电荷密度Qo=3×1011cm-2,计算阈值电压VTH. 【解】 第一步：计算半导体的功函数及功函数差： qS = S +qVn =  S +kT ln Nc Nd ( ) = 4.05 + 0.026 ln 2.8  1019 /1015 = 4.316eV qm =4.2eV ms =m − s = 4.2 − 4.316 = −0.116V 第二步：计算氧化层电容： Co = o /xo = 4  8.854 10−14 /120 10−7 = 2.95 10−8 F / cm 2 第三步：计算氧化层电荷引起的平带电压： Qo = 3 1011 1.6 10−19 = 4.8 10−8C / cm 2 −Qo / Co = −4.8 10−8 / 2.95 10−8 = −1.627V  6.4 实际MOS的C-V特性和阈值电压 三、阈值电压和C-V曲线： 【例6-1】N型Si衬底的Al栅MOSFET，Nd=1015cm-3, xo=120nm， Si/SiO2界面处电荷密度Qo=3×1011cm-3,计算阈值电压VTH. 【解】第四步：计算半导体费米势Φf和强反型时表面势Ψsi： f = ( Ei − E f ) / q = −VT ln Nd ni ( = −0.026 ln 1015 /1.5  1010 = −0.29V )  si =2 f = −0.58V 第五步：计算半导体SCR内的电荷密度及承载压降： ( ) ( ) 1/2 1/2 QB = 4 s qN d  f = 4 11.8  8.854 10−14 1.6 10−19 1015  0.29 = 1.39 10−8C / cm2 −QB / Co = −1.39  10−8 / 2.95  10−8 = −0.47V 第六步：总的阈值电压： Qo QB VTH =ms − − + si = −0.116 − 1.627 − 0.471 − 0.58 = −2.794V Co Co  6.5 MOSFET 一、基本结构和工作原理 VG ＞V TH ID S VD 小 （a ） L y N+ 沟道 N+ 耗尽区 （a ） p − 衬底 VD 图6-15 MOSFET的工作状态和输出特性：（a）低漏电压时 【1】VG>VTH, VD>0, 且 VD 载流子的平均自由程 l。漂移速度受散射 机制影响。 2. 实际情况：短沟道器件，L< l，部分载流子不经散射直接由源端到达漏端， 称为载流子的弹道输运。 （1）弹道输运速度远大于平均漂移速度和饱和速度； （2）可应用于高速器件；在亚微米和纳米器件中弹道输运现象更加明显。 电场 电场 电场 S D S D S D (1) L > l，漂移运动 (2) L ~ l，漂移与 (3) L < l，弹道输运 弹道混合输运  6.9 MOSFET按比例缩小理论 随着器件沟道长度的缩小，器件的其他参数如何改变？ 一、恒定电场按比例缩小： （1）器件尺寸和电压等比例缩小，保持沟道内水平和垂直方向电场不变， 以保证器件的可靠性不会因尺寸较小而显著变差。 （a）原始的NMOSFET剖面图；（b）按比例缩小后的NMOSFET剖面图。 一般，比例因子k≈0.7，晶体管面积减小1倍，集成度提高1倍。  6.9 MOSFET按比例缩小理论 一、恒定电场按比例缩小： （a）原始的NMOSFET剖面图；（b）按比例缩小后的NMOSFET剖面图。 （2）沟道长度：L → kL； （3）漏极电压：为了保证水平电场恒定， VD → kVD. （4）栅极电压：为了保证栅压和漏极电压匹配， VG → kVG. （5）氧化层厚度：为了保证垂直电场恒定， xo → kxo.  6.9 MOSFET按比例缩小理论 一、恒定电场按比例缩小： （a）原始的NMOSFET剖面图；（b）按比例缩小后的NMOSFET剖面图。 （5）衬底掺杂浓度：为了保证源、漏PN结空间电荷区宽度与沟道长度匹 配， Na → Na/k. xd =  2 s ( 0 +VD ) / qN a  xd =  2 s ( 0 +kVD ) k / qN a  1/2 1/2  kxd  6.9 MOSFET按比例缩小理论 一、恒定电场按比例缩小： （a）原始的NMOSFET剖面图；（b）按比例缩小后的NMOSFET剖面图。 （6）单位沟道宽度的饱和漏电流： 基本 I DS /Z =n o (VG − VTH ) / 2 Lxo I DS /Z =n o ( kVG − VTH ) / 2k 2 Lxo 2 2 不变 沟道宽度：Z → kZ； 器件面积：A→ k2A；漏极电流：IDS→ kIDS；功率：P → k2P. 芯片的功率密度基本保持不变  6.9 MOSFET按比例缩小理论 一、恒定电场按比例缩小： （a）原始的NMOSFET剖面图；（b）按比例缩小后的NMOSFET剖面图。 （7）阈值电压： VTH = VFB + 2 f + QB / Co  f = VT ln ( N a / ni ) → ( − ln k )   f Q B = 2 s qN a ( 2 f ) → ( − ln k ) / k  Q B 所以，阈值电压不直接按照比例因子k变化。  6.9 MOSFET按比例缩小理论 一、恒定电场按比例缩小： 恒定电场器件按比例缩小的总结 器件和电路参数 比例因子（k