第五章MOS场效应晶体管

第五章 MOS场效应晶体管第五章 MOS场效应晶体管 5.1 MOS场效应晶体管的结构和工作原理1基本结构上一章我们简单提到了金属半导体场效应晶体管（即MESFET），它的工作原理和JEFET的工作原理有许多类似之处。如果在金属半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，缩写MOSFET），如图所示（P172）。MOS管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。本章主要以金属SiO2P型Si构成的MOS管为例来讨论其工作原理。器件的基本参数是：沟道长度L（两个结间的距离）；沟道宽度Z；氧化层厚度；漏区和源区的结深；衬底掺杂浓度等。MOS场效应晶体管可以以半导体Ge、Si为材料，也可以用化合物GaAs、InP等材料制作，目前以使用Si材料的最多。MOS器件栅下的绝缘层可以选用SiO2、Si3N4和Al2O3等绝缘材料，其中使用SiO2最为普遍。2载流子的积累、耗尽和反型（1）载流子积累我们先不考虑漏极电压，将源极和衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负偏压（），就将产生由衬底指向栅极的垂直电场。在电场作用下，将使空穴在半导体表面积累，而电子在金属表面积累，如图所示。（2）载流子耗尽如果在栅极加一正偏压（），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。在此电场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属表面感应出正电荷，如图所示。（3）载流子反型若在耗尽的基础上进一步增加偏压，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状态。在反型层中，少子电子浓度高于本征载流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征载流子浓度，这一层半导体由P型变成了N型。在半导体表面产生电子积累，这些电子是可以移动的，如图所示。当栅压增加到使半导体表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度时，半导体表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用表示）。达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层，在MOS场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作N沟道。3工作过程（1）时的工作过程上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（）时，在两个N区之间的P型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的N型表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以用改变栅电压来调制。背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。 若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源极（S）流到漏极（D）。因此，沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流和漏电压成正比。这是线性区，可用一条恒定电阻的直线来表示，如图（a）所示。 当漏电压增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从0L逐渐变窄，甚至使处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断（如图（b）所示）。沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用P表示。夹断时的漏电压记为。 夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当时，夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。主要变化是L的缩短，比如从L缩短到，如图（c）所示。载流子在P点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似。通过以上分析可以看到MOSFET的IV特性和JFET的很相似。若施加不同的栅极电压，可以得到如果所示的输出特性曲线。（2）时的特性当栅极施加正向电压且在范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏极加上电压（），则漏端PN结为反偏，流过漏源的电流很小，只是PN结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。3MOS场效应晶体管的分类MOS场效应管的分类和JFET的分类类似。根据形成导电沟道的起因和沟道中载流子的类别，MOS场效应晶体管可以N沟和P沟两大类。根据时的工作状态分为增强型（不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电压时才形成导电沟道）和耗尽型（已存在导电沟道，要使耗尽型MOS器件的沟道消失，必须施加一个栅极电压）两类。因此MOS场效应晶体管可以分为4种不同的类型：N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型、P沟增强型。 5.2 MOS场效应晶体管的阈值电压1MOS结构中的电荷分布如上所述，阈值电压是栅下半导体表面出现强反型时所加的栅源电压，所谓强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态，即能带弯曲至表面势等于或大于两倍费米势的状态。若用表示表面势，表示半导体内的费米势，则式中，和分别为本征与杂质费米能级。由可得P型衬底费米势为上图是N沟MOS管出现强反型时的能带图和电荷的分布。图中，的右边，仍为P型；而在的左边，变为了N型。因而在半导体空间电荷区中感应出了PN结，这种PN结称为物理PN结，是场感应结。当外加电压撤出之后，反型层消失，PN结也随之消失。在外加栅压下，金属板上所产生的面电荷密度为；为存在于栅绝缘层中的固定电荷，可移动电荷和界面态，并将这些电荷用SiSiO2界面处的电荷密度来等效的一种表面态电荷密度；为反型层中单位面积上的导电电子电荷密度；是半导体表面耗尽层中的空间电荷密度。当表面刚好强反型时，表面耗尽层宽度达到最大，若将反型层和衬底之间的结近似看作单边突变结，则此结上所加的反向偏压等于，因此最大耗尽层宽度为当表面耗尽层宽度达到最大值时，表面耗尽层中单位面积上的空间电荷密度也达到最大值按照MOS结构中电中性条件的要求，MOS结构中的总电荷代数和必须等于零，因此，出现强反型时刚达到强反型时，沟道反型层中的电子浓度刚好等于P型衬底内的空穴浓度，而且反型层电子只存在于极表面的一层，因此，可以忽略，所以上式简化为2理想MOS结构的阈值电压理想MOS结构是指： 在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电，能阻挡直流流过； 金属与半导体之间的功函数差为零，即二者有相同的费米能级； 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。因此中忽略有由于理想MOS结构中假定金属与半导体之间的功函数差为零，因此在外加栅压为零时，能带处于平直状态，施加了栅压以后，能带才发生弯曲，因此，在理想情况下，加上电压时，外加电压为跨越氧化层的电压和半导体表面势之和，因此有所以达到强反型时设栅氧化层的单位面积电容为，则有所以3实际MOS结构的阈值电压实际MOS结构中存在表面态电荷密度，金属半导体功函数差，因此，在栅压为零时，由于和的作用，表面能带已经发生弯曲，为了使能带恢复到平带状态，必须在栅极上施加一定的栅压，使能带恢复到平直状态所需要加的栅压称为平带电压，所以平带电压为式中，表示抵消表面态电荷的影响所需加的栅源电压。因此，在实际MOS结构中，必须用一部分栅压去抵消和的影响，才能使MOS结构恢复到平带状态，达到理想MOS结构的状况，真正降落在栅氧化层和半导体表面上的电压只有，这时，栅电压为所以阈值电压为讨论： 与衬底掺杂浓度密切相关，衬底掺杂浓度越高，阈值电压也越高。 在使用SiO2作为栅绝缘材料的SiO2Si系统中，表面电荷总是正的，而且主要由界面态、固定电荷、可动离子和电离陷阱等组成。因此，当表面电荷密度较高时，阈值电压可能变成负值，要制作增强型N沟MOS管，在工艺中要尽量减少SiO2Si界面上的电荷密度。 金属半导体功函数差定义为和分别代表金属和半导体的功函数。一般P型Si半导体的功函数比金属（如Al）的功函数大，即。因此，要制作增强型N沟MOS管，应该选择功函数差低的材料，如多晶硅等栅极材料。 5.3 MOS场效应晶体管的直流电流电压特性本节将定量分析MOS场效应晶体管的电流电压特性。为了方便起见，先作以下几个假设： 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻； 沟道内掺杂均匀； 载流子在反型层内的迁移率为常数； 长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电场使互相独立的。 在沟道区不存在复合产生电流。下图为N沟增强型MOS场效应晶体管的输出特性曲线，图中的电流电压特性可以用夹断条件作为界限划分为线性区和饱和区。下面作定量分析。1线性区的电流电压特性下图是放大的N沟道MOS管的示意图，其上加了偏置电压。为简化分析，使衬底和源接地。晶体管处于栅电压大于阀值电压（）条件之下，若沟道中y处的电位为，则y处反型层单位面积电子电荷为 由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，因此沟道电流只含电场作用的漂移项，漂移电流为电子电流。 其中，将式代入上式可得将上式积分，积分限x：的沟道长度；电压：上式就是线性工作区的直流特性方程（称为萨支唐（Sah）方程），显然，很小时，项可忽略，与成线性关系。增大时，上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。2饱和区的电流电压特性若增加漏极电压至沟道夹断时，器件的工作进入饱和区。使MOS管进入饱和工作区所加的漏极电压为，则有将上式代入萨支唐方程，便可得到进入饱和区时的漏极饱和电流如果MOS管进入饱和工作区后，继续增加，则沟道夹断点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度随着的增大而不断变大，如图所示，通过单边突变结的公式得到进入饱和区后的漏极电流为上式表明，当增大时，分母减小，将随之增加。漏极饱和电流随着沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应，这个效应会使MOS管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。3亚阈值区的电流电压特性当栅极电压低于阈值电压时，半导体表面处于弱反型状态，流过漏极的电流并不等于零，这时MOS场效应晶体管的工作状态处于亚阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。对于在低压、低功耗下工作的MOS管来说，亚阈值区是很重要的，例如，当MOS管在数字逻辑及储存器中用做开关时，就是这种情况。对于长沟道MOS管，在弱反型时表面势可近似看作常数，因此可将沟道方向的电场强度视为零，这时漏源电流主要是扩散电流，并可采用类似于均匀基区晶体管求集电极电流的方法来求亚阈值电流。在平衡时，没有产生和复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线性变化的，即代入上式可得 又电子在和处的浓度和分别为 *因为半导体表面电子浓度 其中， 其中，称为体内费米势将式代入式可得上式可以看出，MOS管在压阈值区漏源电流随着指数变化。又因为表面势，因此当时，漏电流将指数地减小为了将亚阈值区电流减小到可以忽略不计，我们必须将MOS管偏置在比低0.5V或更低的电压值下。4转移特性漏源极电流随栅压变化的曲线称为MOS管的转移特性曲线，N沟MOS管的转移特性曲线如图所示。转移特性说明栅压对漏源电流控制作用的强弱。当时，随着的增加，沟道中导电载流子数量增多，沟道电阻减小，因而在一定的作用下，漏极电流上升。后，MOS管进入亚阈值区工作，漏极电流很小。5MOS管的击穿当漏源电压增高时，会出现漏源电流突然增大的情况，这时器件进入了击穿区。击穿时所加的漏源电压称为漏源击穿电压，用表示。漏源击穿原因，可以用两种不同的击穿机理解释：漏区与衬底之间PN结的雪崩击穿，漏和源之间的穿通。 5.4 理想MOS结构电容1MOS结构的电容构成假设理想MOS结构没有金属和半导体之间的功函数差，氧化层是良好的绝缘体，几乎没有空间电荷存在，SiSiO2界面没有界面态，那么外加栅压一部分降落在氧化层（）上，另一部分降落在半导体表面层中，形成表面势，即当外加偏压变化时，金属电极上的电荷和半导体表面总电荷都有相应地发生变化。这说明，MOS结构有一定的电容效应，所以把它叫做MOS电容器。注意：在出现反型以后，特别是在接近强反型时，半导体表面电荷由两部分组成，一部分是电离受主电荷（即空间电荷），另一部分是反型层中的电子电荷，即：。MOS结构单位面积的微分电容为因为； 所以 上式表明MOS结构的电容是氧化层电容和半导体表面空间电荷层电容的串联，其等效电路如图所示。式中的和分别为； 式中，和分别为氧化层和半导体表面空间电荷层的厚度。2不同工作条件下MOS结构的电容变化规律半导体的表面电容是表面势的函数，因而也是外加偏压的函数。求出了随变化的规律，也就得到了MOS结构的总电容C随外加偏压变化的规律。求的一般步骤是： 通过解半导体表面空间电荷区电势的泊松方程求出半导体表面处的电场； 利用高斯定理求出表面电荷面密度； 根据电容的定义求出。下面仍以P型半导体为例，将外加偏压分区直接给出结果。（1）多数载流子积累状态当栅压为负值（）时，多子在半导体表面积累，半导体表面电容为式中，称为德拜长度，为P型半导体多子的浓度，将上式代入式可得归一化电容为 当加较大的负栅压时，由于为负值，且其绝对值较大，上式分母中第二项趋近于零，故，即。这种情况下，MOS的电容不随栅偏压变化的，因为在多子积累状态时，在栅偏压作用下，电荷直接积累在SiO2的两侧，所以，MOS结构的总电容就等于氧化层的电容。对于SiO2厚度一定时，氧化层电容是一个不随栅偏压变化的常数，如图中AB段所示。（2）平带状态当栅偏压的绝对值逐渐减小时，表面势也变得很小，空穴的积累减弱，式分母中的第二项变大而不能略去，使得随表面势的减小而变小，如图BC段。当时，平带电容为代入式可得归一化电容为图中所示的MOS电容曲线与纵轴的交点C点称为平带点，平带点C点对应的电容，就是平带电容。上式表明，若绝缘层厚度一定，越大，平带时总归一化电容也越大，这是因为表面空间电荷层随增大而变薄所致。另一方面绝缘层厚度越大，越小，也越大。（3）表面耗尽状态当栅极上所加的偏压为正（），但又未出现反型状态时，表面空间电荷区处于耗尽状态，这种状态下MOS结构电容是SiO2层电容和表面耗尽层电容的串联，耗尽层电容为 其中，将上式电容代入式可得归一化电容为上述公式是表面逐渐被耗尽时的电容变化规律，电容随栅压的平方根增加而下降，这是由于耗尽状态时，表面空间电荷层厚度随偏压增大而增厚，越大，则越小，也随之越小。随的变化如图CD段。（4）表面反型状态当栅极上所加正偏压进一步增大，直到使表面表面势时，表面出现强反型，这时表面空间电荷区的耗尽层宽度维持在最大值，半导体表面电容为 其中，式中，和分别为平衡时空穴与电子浓度。将上式代入式可得归一化电容为 这是在强反型状态下随表面势变化的规律，如图DE段，当是正值并且较大时，上式分母中的第二项接近于零，于是，这时MOS结构电容C又增加到SiO2层的电容，如图EF段所示。这是因为出现强反型后，大量电子聚集在半导体表面处，绝缘层两边堆积着电荷，如同只有绝缘层电容一样。特别值得指出的时，MOS结构电容器的电容特性在反型状态下，对于不同测试信号频率的响应是不同的。上面进行的讨论，是以低频信号为前提的，式只适用于信号频率较低的情形，在这种情形下，反型层中电子的复合和产生速率能够跟得上信号的变化，也就是说在栅偏压的增加和减弱，表面反型层中电子的积累和减小时，才显示出电容效应。而在栅极电压变化的频率较高，反型层中电子的复合和产生跟不上高频信号的变化的，则显示不出电容效应。 5.5 MOS管的交流小信号参数和频率特性1交流小信号参数MOS管的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系，由于这是一种线性变化关系，所以可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随信号电流和信号电压变化的常数即为小信号参数。（1）跨导跨导是MOS管的一个重要参量，它反映外加栅极电压的变化量控制漏源电流变化量的能力，的定义为也就是说，在一定时，栅极电压每变化1伏特所引起的漏源电流的变化。跨导的单位时欧姆的倒数，它标志着MOS管的电压放大本领。与电压增益的关系为式中，为MOS管的负载。上式可见，MOS管的跨导越大，电压增益也越大，跨导的大小与各种工作状态有关。 线性区跨导在线性工作区，当时，由线性区电流求导可得这说明在线性工作区，随的增加而略有增加。值得注意的是，上式看上去似乎与无关，但测量结果表明当增大时下降，这是因为当增大时，电子迁移率下降的缘故。 饱和区跨导在饱和工作区，当时，由饱和区电流求导可得这说明在饱和工作区，将不考虑沟道调制效应，跨导基本上与无关。要提高MOS管的跨导和，可采取的方法为：改进MOS管结构（如增大管子的沟道宽长比，减薄氧化层厚度等），提高载流子迁移率等，这些措施与提高的要求是一致的。适当增大栅极工作电压，可以增加饱和工作区的跨导。（2）漏源输出电导 线性工作区的漏源输出电导的定义为： 由线性区工作电流方程对漏源电压求导可得上式表明随着的增大，但还未到饱和区时，将会减小。在较小时因此，在较小时，漏源输出电导和饱和工作区的跨导相等，在不太大时，与成线性关系。输出电阻与是双曲线关系，即随的增大而减小。当漏源电流较大时，与的线性关系不再维持，这是因为电子的迁移率随的增加而减小。 饱和区漏源输出电导在理想情况下，若不考虑沟道长度调制效应，饱和区的漏电流与无关。饱和工作区的应为零，即输出电阻为无穷大。对于实际MOS管，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜，使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。造成输出特性曲线倾斜的主要原因是沟道长度调制效应，当时，沟道有效长度缩短，从而导致饱和电流随的增加而增加。考虑沟道调制效应后的饱和电流为根据电导的定义可得（3）串联电阻对和的影响（1）对跨导的影响由于MOS管源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻。若加在栅极与地之间的电压为，引起的漏源电流为，则它在上有一个压降，真正加在栅极与源之间的电压与的关系为计及影响后的跨导为上式表明，当MOS管源极串联电阻不能忽略时，其跨导将减小，但其中起负反馈作用，可以稳定跨导。如果很大，则有这是深反馈情况，跨导与器件参数无关。（2）对输出电导的影响若漏区的外接串联电阻为，用相似的讨论方法可以得到在线性工作区受及影响的有效输出电导为上面讨论表明，串联电阻和会使跨导和输出电导变小，在设计和制造MOS管时，应尽量减少漏极和栅极串联电阻。2MOS管的截止频率和JFET类似，我们用如图所示的等效电路来分析MOS管的截止频率。截止频率为输出电流和输入电流之比为1时的频率，即当器件输出短路时，器件不能放大输入信号时的频率。栅极端输入的信号电流可以表示为漏极端输出的交流电流（由跨导定义知）为当时，达到增益为1（不再放大）的条件，此时的频率为截止频率，所以有 （线性区，）上式表明，要提高工作频率或工作速度，沟道的长度要短，载流子迁移率要高。 5.6 器件尺寸比例从1959年集成电路时代开始以来，器件的尺寸在不断减小。减小器件尺寸的目的是为了满足在单个半导体芯片上制造含有成千上万个晶体管的高度复杂的集成电路的要求。1MOS管的沟道效应前面我们都是在长沟道下讨论的。如果沟道长度缩短，源结与漏结耗尽层的厚度可与沟道长度比拟时，沟道区的电势分布不仅与由栅电压及衬底偏置电压决定的纵向电场有关，而且与由漏极电压控制的横向电场也有关。换句话说，此时缓变沟道的近似不再成立，这个二维电势分布会导致阈值电压随L的缩短而下降，亚阈值特性的降级以及由于穿通效应而使电流饱和失效，在沟道区出现二维电势分布以及高电场，这些不同于长沟道MOS管特性的现象，统称为短沟道效应。当沟道长度缩短，沟道横向电场增大时，沟道区载流子的迁移率变化与电场有关，最后使载流子速度达到饱和。当电场进一步增大时，靠近漏端处发生载流子倍增，从而导致衬底电流及产生寄生双极型晶体管效应，强电场也促使热载流子注入氧化层，导致氧化层内增加负电荷及引起阈值电压移动、跨导下降等。当沟道缩小时，由于漏沟静电反馈有效应，阈值电压显著减小。漏沟静电反馈有效应是指衬底低掺杂，沟道短的情况下，漏衬PN结耗尽区宽度以及表面耗尽区宽度与沟道长度可比拟时，漏区和沟道之间将出现静电耦合，漏区发出的场强线中的一部分通过耗尽区终止于沟道，致使反型层内电子数量增加的现象。2最小沟道长度基于大量的实验，Brews等人导出了能保持长沟特性的最小沟道长度的经验公式为式中，为结深；为氧化层厚度；为源与漏一维突变结耗尽区厚度之和。为衬底偏置电压。当时，。下图给出了最小沟道长度表达式与实验结果。图中，短沟区的所有器件，都显示短沟道电特性，在长沟道区的所有器件，都显示长沟道电特性。例如，8m沟道长度已是短沟道器件，但是如果，1m沟道长度的器件依然可视为长沟道器件。减小沟道效应而能保持原来长沟道特性的另一个非常好的方法就是，简单地将器件所以尺寸和电压同时缩小一个比例因子，使内部电场和长沟道MOS管的相同。21