MOS器件阈值电压.ppt

MOSFET 栅下的电荷受栅电压产生的纵向电场 EX 、源漏电压产生的横向电场 EY 的共同作用，是一个二维问题*。 VDS、VBS使半导体表面势、表面电荷、表面反型层和耗尽区厚度都随Y变化。 沿Y方向有电流流动，表面处于非平衡态，反型层与体内不再有统一的费米能级。 SiO2中的正电荷面密度Q0* 固定正电荷 可动正电荷 陷阱电荷 界面陷阱电荷 这些电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因,其大小与晶向有关，与SiO2的生长工艺有关。 通常要求： §1、MOSFET的物理结构、工作原理和类型 §2、MOSFET的阈值电压 §3、MOSFET的直流特性 §4、MOSFET的动态特性 §5、小尺寸效应 MOSFET阈值电压的定义 在正常情况下，栅电压产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的产生。使沟道区源端强反型时的栅源电压称为MOS管的阈值电压。NMOS的阈值电压用VTn 表示， PMOS的阈值电压用VTp 表示。 阈值电压：Threshold voltage MOS电容的阈值电压（1） P-Si 耗尽层的厚度 耗尽层单位面间的电荷 反型层的厚度 反型层单位面积的电荷 半导体表面电荷 栅电荷 P-Si 半导体表面强反型时的栅体电压称为MOS电容的阈值电压VT MOS电容的阈值电压（2） MOS电容反型时能带图 MOSFET与MOS电容的不同（1） MOS电容 表面电场由栅电压控制，半导体表面处于平衡态，有统一的费米能级。表面空间电荷沿 Y方向均匀分布。 MOSFET与MOS电容的不同（2） MOSFET与MOS电容的不同（3） VGSVT n+ n+ VDS0 p-substrate Channel S B IDS VBS NMOS 反型层和耗尽区 如何得到 在一定的近似条件下求解二维泊松方程： MOSFET电压－电荷关系 Gradual Channel Approximation* 假定y方向（沿沟道方向）电场EY的变化远小于相应的X方向（垂直于沟道方向）电场EX的变化。其数学表示式为 缓变沟道近似（GCA） 对于长道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。 GCA近似使泊松方程变成一维的，这意味着MOS电容的电荷方程，做一些简单修正，就可适用于MOSFET 以NMOS为例。当栅压VGSVTN,在半导体表面形成反型层。这时，在源漏端施加电压，形成源漏电流,沿沟道方向（Y方向）产生电压降*。 其结果使N型沟道的能带连同其费米能级沿Y方向发生倾斜*。原因：N沟道与P型衬底之间电位不同，即N沟道与P型衬底间的PN结处于反向偏置，沟道与衬底之间不再有统一的费米费米能级 设沟道任意点相对于衬底的电位为VCB(y)，那么沟道区的电子准费米能级EFn比衬底空穴的准费米能级EFP低qVCB(y)。 MOSFET的表面势（1） MOSFET的表面势（2） n+ n+ NMOSFET 的能带图* MOSFET的三维能带图 VB=VS=VD=0 VG0 VB=VS=0 VD0 VB=Vs=VD=VG=0 在GCA下，强反型时，当VDS较小时，MOSFET 的表面势近似为: MOSFET的表面势（3） 定义VY为沟道Y点相对于源端的电势： MOSFET的表面势（4） 强反型时的栅体电压为 使沟道任意一点强反型时的栅源电压为 阈值电压定义为源端反型时的栅源电压： 强反型后，MOST的反型层电荷与栅压的关系为： MOSFET阈值电压表达式 NMOS PMOS 影响阈值电压的因素 金半接触电势差， 氧化层中正电荷面密度，单位: 库仑/cm2 半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关） 衬底掺杂浓度 单位面积栅氧化层电容 衬底偏压 影响阈值电压的因素：Vms 金半接触电势差Vms Al栅，Al的功函数4.1eV，Si的亲和能4.15eV NMOS: PMOS: 使P型半导体表面耗尽或反型 使N型半导体表面积累 Al栅方块电阻：几个 mΩ/□ Al栅工艺的缺陷 影响阈值电压的因素：Vms 多晶硅栅* n+poly-si,掺杂浓度NDP，方块电阻～15欧姆 NMOS: 使表面耗尽或反型 PMOS: 使表面多子积累 p+poly-si,掺杂浓度NAP，方块电阻～25欧姆 NMOS: 使表面多子积累 PMOS: 使表面耗尽或反型 近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同 影响阈值电压的因素: Q0 影响阈值电压的因素：NB 衬底掺杂浓度NB 通过QB来影响VT NB越大，越不容易反型 影响阈值电压的因素： Tox 栅氧化层厚度tox： tox增加，导致VT增加。这种方法广泛应用于MOSFET之间的隔离。 提高场区寄生MOS管的阈值电压：场注入＋厚的场氧化层 栅氧 场氧 P-Si衬底 互连线 寄生沟道 有源区、场区 影响阈值电压的因素：体效