2024/7/25半导体物理与器件半导体物理与器件西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽张丽第第1111章章 MOSFETMOSFET基础基础1.2 C-V1.2 C-V特性特性1.3MOS1.3MOS管原理管原理2024/7/251.2 C-V特性特性 本节内容本节内容n理想理想MOS电容的电容的CV特性特性n氧化层电荷对氧化层电荷对CV特性影响特性影响n界面态概念及对界面态概念及对CV特性影响特性影响2024/7/251.2 C-V特性特性 什么是什么是C-VC-V特性特性MOS电容电容C=dQ/dV=Cox与与Cs的串联的串联器件电容定义器件电容定义:相当于金属电容与半导体电容串联相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小电阻越串越大，电容越串越小2024/7/251.2 C-V特性特性 理想理想M MOSOS电容电容C-VC-V特性特性电容电容-电压特性测试曲线电压特性测试曲线直流电压：决定器件工作点，调整大小使直流电压：决定器件工作点，调整大小使MOS先后处于堆积、平带、先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态耗尽、本征、反型几种状态交流电压：幅值比较小，不改变半导体的状态交流电压：幅值比较小，不改变半导体的状态测量电源：测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。2024/7/251.2 C-V特性特性 堆积状态堆积状态加直流负栅压，堆积层电荷能够跟随交流小信加直流负栅压，堆积层电荷能够跟随交流小信号栅压的变化。号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。公式：面电荷密度随表面势指数增加。2024/7/251.2 C-V特性特性 平带状态平带状态所加负栅压正好等于平带电压所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表，使半导体表面能带无弯曲面能带无弯曲2024/7/251.2 C-V特性特性 耗尽状态耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容压的变化而变化，出现耗尽层电容CSDC相当与相当与Cox与与Csd串联串联2024/7/251.2 C-V特性特性 强反型状态强反型状态阈值反型点：阈值反型点： CVCV曲线分高低频。曲线分高低频。原因：和反型层电荷的来源密切相关原因：和反型层电荷的来源密切相关。2024/7/251.2 C-V特性特性 反型层电荷来源反型层电荷来源2024/7/25 反型层电荷来源：（热运动产生的少子）反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1 1、P P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+ +漂移）漂移）2 2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生复合。半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生复合。热运动：电子从价带激发到导带，电子热运动挣脱共价键束缚的过程热运动：电子从价带激发到导带，电子热运动挣脱共价键束缚的过程交流信号正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程交流信号正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间少子的产生复合过程需要时间 。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号变化快慢相关：反型层电荷是否跟得上信号变化与信号变化快慢相关：2024/7/251.2 C-V特性特性 强反型状态强反型状态( (低频低频) )加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：直观：相当于栅介质平板电容相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。公式：面电荷密度随表面势指数增加。中反型：近似认为中反型：近似认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区2024/7/251.2 C-V特性特性 反型状态反型状态( (高频高频) )加较大的直流正栅压：加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对耗尽层电荷对C有贡献。总电容？有贡献。总电容？交流小信号：交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？总电容值？2024/7/251.2 C-V特性特性 n n型与型与p p型的比较型的比较p型衬底型衬底MOS结构结构n型衬底型衬底MOS结构结构2024/7/251.2 C-V特性特性 氧化层电荷的影响氧化层电荷的影响- - - - - + 例图例图:因为因为Qss均为正电荷均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电界面的正电Qss使得使得S表面处于任状态时与无表面处于任状态时与无Qss相比相比VG都左移都左移.但每一状态下的但每一状态下的C并不会发生变化：并不会发生变化：(例例CFB始终不变始终不变) 每个状态每个状态VG变，不改变变，不改变vg对对QS的作用的作用VG移量相等移量相等: Qss不是栅压的函数，栅压改变不影响不是栅压的函数，栅压改变不影响Qss大小大小- - - 2024/7/251.2 C-V特性特性 界面陷阱的分类界面陷阱的分类被电子占据（在被电子占据（在EFS之下）之下）带负电，不被电子占据（在带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性之上）为中性被电子占据（在被电子占据（在EFS之下）为之下）为中性，不被电子占据（在中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电之上）带正电（界面陷阱）（界面陷阱）界面电荷是栅压的函数界面电荷是栅压的函数? 栅压会改变半导体表面的栅压会改变半导体表面的EF相对位置相对位置界面态：半导体界面处禁带宽度中的电子能态。界面态：半导体界面处禁带宽度中的电子能态。2024/7/252024/7/251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影响界面陷阱的影响: :本征本征本征态本征态本征态：界面电荷不带电，对本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响曲线无影响禁带中央：禁带中央：CV曲线实虚线重和曲线实虚线重和2024/7/252024/7/251.2 C-V特性特性 界面陷阱的影响界面陷阱的影响: :本征前本征前本征之前：本征之前：EFiEF，总有施主态在总有施主态在E EFSFS之之上，施主态上，施主态失去电子界面陷阱带正电。失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等曲线左移，左移量随栅压不等- - - - - -+ 本征态本征态- - - 陷阱电荷使得陷阱电荷使得S表面处于本征之前任状态时表面处于本征之前任状态时VG都左移都左移. 每一状态下的每一状态下的C并不会发生变化：并不会发生变化：(例例CFB始终不变始终不变)VG左移量随栅压不等左移量随栅压不等例图例图:需要额外牺牲三个负电荷需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电来中和界面态的正电2024/7/252024/7/25本征之后：本征之后： EFi 场效应晶体管场效应晶体管n 绝缘栅场效应晶体管（绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET） 栅极与其它电极之间是相互绝缘的栅极与其它电极之间是相互绝缘的nMIS（Metal-Insulated-Semiconductor）黑（灰）色部分可以黑（灰）色部分可以理解为两种材料界面理解为两种材料界面或空间电荷区，一般或空间电荷区，一般书中不画。书中不画。2024/7/251.3MOSFET原理 MOSFET结构n沟道长度沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度：栅氧下方源漏之间半导体的长度.n沟道宽度沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度n栅氧厚度栅氧厚度toxn MOS电容：外加电容：外加VG， 氧化层下方半导体表面可能形成反氧化层下方半导体表面可能形成反型层，连接型层，连接SD区，就是区，就是MOSFET的的导电导电沟道。沟道。2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理 MOSFET分类(1) n沟道沟道MOSFET：NMOSp沟道沟道MOSFET：PMOS分类方法分类方法1：按照沟道载流子的导电类型分：按照沟道载流子的导电类型分n沟道电流：沟道电流： VGSVT，加，加VDSn NMOS(VDS0)；PMOS(VDS0n沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET(D型：型：Delption)零栅压时已存在反型沟道，零栅压时已存在反型沟道，VTN0问题：不进行专门的问题：不进行专门的N型掺杂，能否型掺杂，能否形成耗尽型形成耗尽型NMOS？ 分类方法分类方法2：0栅压是否存在反型沟道分栅压是否存在反型沟道分2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分类分类(3)(3) p沟道沟道增强型增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，零栅压时不存在反型沟道，VTP0思考：思考：N衬表面若不进行专门的衬表面若不进行专门的P型掺型掺 杂，能否形成耗尽型杂，能否形成耗尽型PMOS? 2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理原理 MOSFETMOSFET分类分类(4)(4)n四种四种MOS晶体管晶体管n N沟增强型；沟增强型；N沟耗尽型；沟耗尽型；P沟增强型；沟增强型；P沟耗尽型沟耗尽型2024/7/252024/7/251.3MOSFET原理 VGS的作用nVT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压。电容半导体表面是否强反型的临界电压。n强反型层存在强反型层存在-MOSFET的沟道存在。的沟道存在。VT：刚刚产生沟道所需的栅源电压：刚刚产生沟道所需的栅源电压VGSvGS 越大，沟道载流子越多越大，沟道载流子越多,在相同在相同的的vDS作用下，作用下，ID越大。越大。2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原原理理 V VDSDS的的作作用用n场感应结：场感应结：n型沟道和型沟道和P型衬底。型衬底。nVDS使沟道上压降从源到漏增加，使沟道上压降从源到漏增加，场感应结反偏压增加，耗尽层增场感应结反偏压增加，耗尽层增 厚，厚，栅上电压不变，反型层厚度渐栅上电压不变，反型层厚度渐 2024/7/25VDS的作用：（的作用：（VGSVT）n形成沟道电流：形成沟道电流： NMOS(VDS0)PMOS(VDSVTN,VDS0n沟道形成沟道形成n形成沟道电流：形成沟道电流：n对对VGS起抵消作用：沟道从源到起抵消作用：沟道从源到 漏厚度渐漏厚度渐 2024/7/251.3 MOSFET原理原理 ID随随VDS的变化的变化(1)线性区线性区2024/7/251.3 MOSFET原原理理 ID随随VDS的的变变化化(2)过渡区过渡区2024/7/251.3 MOSFET原原理理 ID随随VDS的的变变化化(3)饱和点饱和点沟道夹断点沟道夹断点X X：反型层电荷密度刚好近似：反型层电荷密度刚好近似=0=0 VGX=VT,VXS=VDS(sat)2024/7/251.3 MOSFET原理原理 ID随随VDS的变化的变化(4)饱和区饱和区2024/7/25 1.3 MOSFET原理原理 转移特性曲线转移特性曲线n沟道沟道MOSFETp沟道沟道MOSFETVGSVGSVGS 越大，沟道载流子越多，在相同的漏源越大，沟道载流子越多，在相同的漏源电压电压VDS作用下，漏极电流作用下，漏极电流ID越大。越大。反型层形成后，因反型层在反型层形成后，因反型层在G和和B间起间起屏蔽作用，即屏蔽作用，即VGS变，电荷由变，电荷由S和和D提提供，非衬底。供，非衬底。2024/7/251.3 MOSFET原理原理 输出特性曲线输出特性曲线四个区：四个区：（I） 线性区：线性区： VGSVT, VDSVT, VDS(VGS-VT) ，恒流区（压控电流源）。恒流区（压控电流源）。 （III）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。（IV）截止区）截止区: VGS线性区跨导线性区跨导器件放大应用，一般工作在饱和区。原因器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？2024/7/251.3 MOSFET原理原理 跨导影响因素跨导影响因素 .VGS较小：较小：与与VGS无关，无关，gms VGS .VGS较大：较大：VGS=表面散射表面散射=；gms随随VGS而而变缓变缓 .VGS为一较大值：为一较大值： 1/(VGS-VT), gms随随VGS达到最大达到最大 IV.VGS很大：很大： gms随随VGS而而2024/7/251.3 MOSFET原理原理 跨导影响因素跨导影响因素:R:RS S、R RD D的影响的影响 Rs对对MOS管跨导影响，管跨导影响，gmeffRs降低了跨导（晶体管增益），而且降低了跨导（晶体管增益），而且Rs越大，降低程度越大越大，降低程度越大Rs=0, VGS=VGS;Rs不等于不等于0, VGS=VGS+ID*RS;2024/7/251.3 MOSFET原理原理 跨导跨导:提高途径提高途径材料参数材料参数设计参数设计参数工艺参数工艺参数在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS降低串联电阻降低串联电阻RS2024/7/251.3 MOSFET原理原理 （沟道电导）漏导（沟道电导）漏导: :模型模型沟道电导（漏导）：沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随一定时，漏电流随VDS的变化率的变化率表明线性区导通能力（导通电阻）表明线性区导通能力（导通电阻）器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？2024/7/251.3 MOSFET原理原理 漏导漏导: :影响因素影响因素增加线性区沟道电导的途径？增加线性区沟道电导的途径？非饱和区漏导等于饱和区跨导非饱和区漏导等于饱和区跨导2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理原理 漏导漏导: :R RS S,R,RD D影响影响RS，RD：SD电极间电阻增加，电导下降电极间电阻增加，电导下降Rs=0, RD=0，VDS=VDSRs, RD不等于不等于0,VDS=VDS-ID*(RS+RD)Rs，RD对对MOS管跨导影响，管跨导影响，gdeff2024/7/251.3 MOSFET原理原理 需掌握内容需掌握内容n电流电压关系电流电压关系推导推导n理解缓变沟道近似理解缓变沟道近似n线性区和饱和区线性区和饱和区IV关系的推导关系的推导n跨导定义、公式和影响因素跨导定义、公式和影响因素n沟道电导定义、公式和影响因素沟道电导定义、公式和影响因素2024/7/251.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(1)(1)0必须反偏或必须反偏或零偏零偏 IC中衬底电位的接法中衬底电位的接法2024/7/252024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应(2)VSB0源区电势能源区电势能=-e(VD+VSB)VSB=0源区电势能源区电势能=-eVD源衬结能带图：源衬结能带图：衬底衬底0势能参考点势能参考点阈值反型点时，阈值反型点时，VDS=0，反型层沟道连接源漏，沟道和源区电子势能近似相等，反型层沟道连接源漏，沟道和源区电子势能近似相等 VSB=0时，半导体时，半导体s（2fp）近似等于源衬结内建电势差）近似等于源衬结内建电势差VD VSB0时，半导体时，半导体s近似等于近似等于VD+VSB=2fp+VSB沟道区电势能沟道区电势能=-es2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)衬底偏压衬底偏压反型条件反型条件耗尽层电荷耗尽层电荷VSB0，源区电势能，源区电势能= -e（VD+VSB)2024/7/252024/7/251.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)VSB的存在使负的耗尽层电荷更多，VT增加，且VSB越大，VT越大2024/7/251.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应( (5 5) )2024/7/251.3 MOSFET原理原理 衬底偏置效应衬底偏置效应( (6 6) )2024/7/251.3 MOSFET原理原理 背栅定义背栅定义 n衬底能起到栅极的作用，称衬底能起到栅极的作用，称“背栅背栅” VBS改变了耗尽层和反型沟道层的电荷分配之比，改变了耗尽层和反型沟道层的电荷分配之比，从而控制了从而控制了IDS。VGS若不变，若不变，VBS变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化，反型沟道电荷变化，则漏电流变化。变化，反型沟道电荷变化，则漏电流变化。2024/7/251.3 MOSFET原理原理 衬底跨导衬底跨导 n衬底跨导衬底跨导gmb：VGS和和VDS为常数时，为常数时，ID随随VBS的变化率的变化率2024/7/251.3 MOSFET原理原理 需掌握内容需掌握内容 n衬底偏置效应的电位连接衬底偏置效应的电位连接nP衬最低电位，衬最低电位，n管阈值上升管阈值上升nN衬最高电位，衬最高电位，p管阈值更负管阈值更负n衬底偏置效应对衬底偏置效应对MOSFET的影响和物理过程的影响和物理过程n衬底衬底“背栅背栅”定义和物理过程定义和物理过程2024/7/25END