金氧半二极体、电晶体及其电性讨论

聚 積 狀 態空 乏 狀 態理 想 金 氧 半 (MOS)二 極 體 的 能 帶 圖 : 理 想 金 氧 半 (MOS)二 極 體 的 能 帶 圖 :反 轉 (inversion)電 荷 分 佈 圖 電 場 分 佈 圖 電 位 分 佈 圖 SiO2-Si MOS 二 極 體l電 特 性 最 接 近 理 想 MOS二 極 體 。l與 理 想 二 極 體 最 大 差 異 ： a.金 屬 電 極 與 半 導體 之 功 函 數 差 qms不 為 零 ； b.氧 化 層 中 或 介面 處 有 電 荷 存 在 。l所 以 熱 平 衡 時 的 半 導 體 區 之 能 帶 圖 有 彎 曲 ，不 為 平 帶 情 形 (flat-band condition )。 ms與 使 半 導 體 恢 復 平 帶 狀 況 之 電 壓 （ 平 帶 電壓 flat-band voltage)為 所 關 心 之 量 。 功 函 數 差 （ Work function difference ）=0.9V 熱 平 衡 狀 態 下 em： 修 正 的 金 屬 功 函 數 功 函 數e： 修 正 半 導 體 的 電 子 親 和 力s0： 表 面 電 位事 實 上 ， 因 為 m、 有 能 量 差 ， 故 形 成MOS結 構 時 ， 氧 化 層 就 會 跨 有 一 個 電 位差 Vox0， 半 導 體 能 帶 也 會 有 彎 曲 es0。氧 化 層 中 或 介 面 處 有 電 荷 存 在 。表 示 es0-efp由 費 米 能 階至 真 空 能 階之 能 量 為 ：eVox0+eI + em由 費 米 能 階 至 真 空能 階 之 能 量 為 ：eI + e + Eg/2 -(es0-efp) 功 函 數 差 ms（ 續 ）l 將 金 屬 區 和 半 導 體 區 的 費 米 能 階 至 真 空 能 階 之 能 量 相 比較 ： )(2 00 fpsgimiox eeEeeeeeV fpsgmox eeEeeeV 00 2 fpgmsox eEV 200整 理 可 得 ： 定 義 為 功 函 數 差 ms 功 函 數 差 ms（ 續 ） fpgmms eE 2 以 p+複 晶 矽 （ 假 設 EF=Ev）為 閘 極 ：p型 基 板 的 功 函 數 差 eE gm 功 函 數 差 ms（ 續 ）以 n +複 晶 矽 （ 假 設 EF=Ec ）為 閘 極 ， p型 基 板 ： fpgfpgms qEqE 22 m n型 基 板 的 功 函 數 差功 函 數 差 ms（ 續 ） 平 帶 電 壓 （ Flat-band voltage）l 定 義 ： 使 半 導 體 區 之 能 帶 無 彎 曲 所 施 加 的 閘 極 電 壓 。l 加 閘 極 電 壓 ， 跨 於 氧 化 層 及 半 導 體 的 表 面 電 位 會 改 變 ：)()( 00 ssoxoxsoxG VVVV mssoxsoxsox VVV )( 00即 ms即 半 導 體 層 內 無 電 荷 存 在 平 帶 電 壓 VFB（ 續 ）l 當 VG = VFB時 ， s = 0， 故 可 得 ：l 氧 化 層 所 跨 電 位 可 以 下 分 析 得 知 ：l 故 可 得 平 帶 電 壓 公 式 ： msoxFBG VVV oxomsFBG CQVV 平 衡 狀 態 Vox 平 帶 狀 態平 帶 狀 態 下 ， 假 設 氧 化 層 電 荷 QO存 在 與 半 導 體 之 界 面 處 （ 即 x0 = d） ， 則 可 得 ：ooo CQddCQ 0ox 氧 化 層 電 荷 ：l可 區 分 為 四 種 電 荷 : 1.介 面 捕 獲 電 荷 (Qit) 2.固 定 氧 化 物 電 荷 (Qf) 3.氧 化 層 陷 住 電 荷 (Qot) 4.可 動 離 子 電 荷 (Qm) 介 面 陷 住 電 荷 Qit (interface trapped charge) 產 生 原 因 ： 起 因 於 Si-SiO2介 面 的 不 連 續 性 及 介 面 上的 未 飽 和 鍵 。 通 常 Qit的 大 小 與 介 面 化 學 成分 有 關 。 改 善 方 法 ： 於 矽 上 以 熱 成 長 二 氧 化 矽 的 MOS二 極 體 使用 低 溫 （ 約 450 ） 氫 退 火 來 中 和 大 部 分 的介 面 陷 住 電 荷 ， 或 選 擇 低 阻 陷 的 晶 片 。 固 定 氧 化 層 電 荷 Qf (fixed oxide charge) 產 生 原 因 ： 當 氧 化 停 止 時 ， 一 些 離 子 化 的 矽 就 留 在 介面 處 （ 約 30處 ） 。 這 些 離 子 及 矽 表 面 上 的不 完 全 矽 鍵 結 產 生 了 正 固 定 氧 化 層 電 荷 Qf。 改 善 方 法 ： 可 藉 由 氧 化 製 程 的 適 當 調 整 ， 或 是 回 火(Annealing)來 降 低 其 影 響 力 或 是 選 擇 較 佳 的晶 格 方 向 。 氧 化 層 陷 住 電 荷 Qot (oxide trapped charge) 產 生 原 因 ： 主 要 是 因 為 MOS操 作 時 所 產 生 的 電 子 電 洞被 氧 化 層 內 的 雜 質 或 未 飽 和 鍵 所 捕 捉 而 陷入 。 改 善 方 法 ： 可 利 用 低 溫 回 火 消 除 掉 。 可 移 動 離 子 電 荷 Qm (mobile ionic charge) 產 生 原 因 ： 通 常 是 鈉 、 鉀 離 子 等 鹼 金 屬 雜 質 ， 在 高 溫和 高 正 、 負 偏 壓 操 作 下 可 於 氧 化 層 內 來 回移 動 ， 並 使 得 電 容 -電 壓 特 性 沿 著 電 壓 軸 產生 平 移 。 改 善 方 法 ： 藉 由 在 矽 氧 化 製 成 進 行 時 ， 於 反 應 氣 體 進行 時 加 入 適 量 HCl， 其 中 的 Cl離 子 會 中 和SiO 2層 內 的 鹼 金 屬 離 子 。 氧 化 層 電 荷 對 CV圖 的 影 響l其 中 平 帶 電 壓 狀 態 介於 聚 積 狀 態 與 空 乏 狀態 之 間 ：l由 平 帶 電 壓 公 式 可 知 ： oxomsFB CQV Qo為 正 時 ， 平 帶 電 壓 會 比 ms小Qo為 負 時 ， 平 帶 電 壓 會 比 ms大 assoxox oxFB qNqkTtC 氧 化 層 電 荷 對 CV圖 的 影 響 （ 續 ）l 由 平 帶 電 壓 的 分 析 可 知 ， 當 氧 化 層 電 荷 為 正 時 ， CV圖 會往 左 平 移 ， 且 電 荷 越 多 ， 平 移 量 越 多 ； 當 氧 化 層 電 荷 為負 時 ， CV圖 會 往 右 平 移 。Qo包 括 ： 固 定 氧化 層 電 荷 Q f、 氧 化層 陷 住 電 荷 Qot 以及 移 動 性 離 子 電 荷Qm。 界 面 電 荷 對 CV圖 的 影 響l 表 面 週 期 性 終 止 ， 有 懸 鍵 產 生 ， 在 禁 制 能 帶 會 形 成 界 面態 階 。l 電 荷 可 在 半 導 體 與 界 面 態 階 之 間 流 動 ， 隨 著 偏 壓 之 改 變 ，界 面 態 階 與 費 米 能 階 的 相 關 位 置 不 同 ， 界 面 的 淨 電 荷 也會 改 變 。一 般 而 言 ， 在 EFi上 方 的 稱 為 受 體 態 階 ，在 E Fi下 方 的 稱 為 施 體 體 態 階 。 施 體 態 階 ： 因 費 米 能 階 在 施 體 態 階之 上 （ 填 滿 ） 時 ， 為 電 中 性 ； 費 米能 階 在 施 體 態 階 之 下 （ 空 的 ） 時 ，為 帶 正 電 。受 體 態 階 ： 因 費 米 能 階 在 受 體 態 階之 下 （ 空 的 ） 時 ， 為 電 中 性 ； 費 米能 階 在 施 體 態 階 之 上 （ 填 滿 ） 時 ，為 帶 負 電 。 界 面 電 荷 對 CV圖 的 影 響 （ 續 ）聚 積 狀 態 下 （ 偏 壓 為 負 ） ， 受體 態 階 都 在 費 米 能 階 之 上 ， 故為 中 性 ； 但 部 分 施 體 態 階 在 費米 能 階 之 上 ， 故 為 帶 正 電 。即 聚 積 狀 態 下 ， 界 面 淨 電 荷為 正 。偏 壓 轉 為 正 ， 當 E F正 好 等 於 EFi時 ， 受 體 態 階 都 在 費 米 能 階 之上 ， 故 為 中 性 ； 施 體 態 階 都 在費 米 能 階 之 上 ， 故 也 為 中 性 。即 偏 壓 由 負 轉 正 時 ， 正 好 有 一個 狀 態 （ 中 間 能 隙 ） ， 界 面 淨電 荷 為 零 。l以 p型 半 導 體 為 例 ： 界 面 電 荷 對 CV圖 的 影 響 （ 續 ）l 以 p型 半 導 體 為 例 ： 反 轉 狀 態 下 （ 偏 壓 為 更正 ） ， 施 體 態 階 都 在 費 米能 階 之 下 ， 故 為 中 性 ； 但部 分 受 體 態 階 在 費 米 能 階之 下 ， 故 為 帶 負 電 。即 反 轉 狀 態 下 ， 界 面 淨 電荷 為 負 。綜 合 以 上 所 述 ， 閘 極 所 加 之 偏 壓 由 負 變 為 正 時 ， 界 面 態 階 的淨 電 荷 由 正 變 到 零 再 到 負 ， 故 CV圖 與 理 想 結 果 比 較 ， 應 該 是部 分 右 偏 ， 部 分 左 偏 。 界 面 電 荷 對 CV圖 的 影 響 （ 續 ）界 面 電 荷 為 負 ，故 往 右 偏 移界 面 電 荷 為 正 ，故 往 左 偏 移 和 理 想 CV圖 比 較圖 形 變 得 更 平 滑 氧 化 層 電 荷 與 界 面 電 荷 影 響 之 比 較氧 化 層 電 荷 效 應 ： 圖 形 形狀 不 變 ， 但 平 移 。界 面 電 荷 效 應 ： 圖 形 形 狀改 變 ， 變 得 更 平 滑 。 臨 限 電 壓 （ Threshold voltage）l 產 生 強 反 轉 所 需 加 的 閘 極 偏 壓 。l 已 知 故 p型 半 導 體 產 生 強 反 轉 （ s = 2fp ） 所 需 的 臨 限 電 壓 為 ： mssoxG VV ox ssSDoxT C QQV (max) oxox t 臨 限 電 壓 （ 續 ）l 由 上 式 可 知 ： 半 導 體 材 料 、 金 屬 材 料 （ ms） ； 氧 化 層 材 料（ ox、 tox） ； 氧 化 層 電 荷 （ Qss） ； 摻 雜 濃 度 （ QSD、 fp）均 會 影 響 臨 限 電 壓 。l 臨 限 電 壓 是 MOSFET的 重 要 參 數 ， 表 示 電 晶 體 導 通 的 開 始 點(on)， 故 應 適 當 選 擇 以 上 之 製 程 條 件 ， 使 得 所 製 作 之 金 氧 半電 晶 體 之 臨 限 電 壓 落 在 電 路 設 計 的 電 壓 範 圍 內 。 臨 界 電 壓 調 整 臨 限 電 壓 （ 續 ） 隨 著 氧 化 層 電 荷 與 半 導 體 摻雜 濃 度 的 不 同 ， 臨 限 電 壓 有的 為 正 有 的 為 負 。 VTN 0： 摻 雜 濃 度 較 高 時可 得 。 表 示 尚 未 接 偏 壓 時 為off， 正 的 臨 限 電 壓 才 能 使 之產 生 反 轉 電 子 ， 變 為 導 通 狀態 ， 稱 為 增 強 模 式 。 臨 限 電 壓 （ 續 ）對 n型 半 導 體 基 板 而 言 ， 臨 限 電 壓 為 ： fnmsoxoxssSDTP tQQV 2)(max)( 以 正 的 氧 化 層 電 荷 而 言 ，臨 限 電 壓 皆 為 負 。 表 示尚 未 接 偏 壓 時 為 off，負 的 臨 限 電 壓 才 能 使 之產 生 反 轉 電 洞 ， 變 為 導通 狀 態 ， 故 不 論 摻 雜 濃度 為 多 少 ， 皆 屬 增 強 模式 。 基 本 的 MOSFET結 構L： 通 道 長 度 Z： 通 道 寬 度d： 氧 化 層 厚 度 r j ： 接 面 深 度 閘 極源 極 汲 極 加 適 當 的 閘 極 電 壓 使得 閘 極 下 方 產 生 反 轉層 ， 形 成 通 道 ， 連 接源 極 與 汲 極 區 。 源 極為 載 子 的 來 源 ， 經 過通 道 流 向 汲 極 。當 基 板 為 p型 時 ， 載 子為 電 子 ， 故 電 流 由 汲極 流 向 源 極 ； 當 基 板為 n型 時 ， 載 子 為 電 洞 ，故 電 流 由 源 極 流 向 汲極 。 基 本 的 MOSFET元 件lN通 道 增 強 模 式lN通 道 空 乏 模 式lP通 道 增 強 模 式lP通 道 空 乏 模 式 基 板 為 p型 半 導 體 ， 汲極 與 源 極 為 n型 摻 雜 。基 板 為 n型 半 導 體 ， 汲極 與 源 極 為 p型 摻 雜 。 N通 道 增 強 模 式 (Enhamcement mode)N通 道 增 強 模 式 ： 在 零 閘 極 電 壓 ， 氧 化 層 下 沒 有 電 子 反 轉層 ， 需 加 正 閘 極 電 壓 才 會 有 反 轉 層 。 沒 接 通電 子 由 基 底 進 入 N通 道 空 乏 模 式 (Depletion mode)l N通 道 空 乏 模 式 ： 在 零 閘 極 電 壓 ， 氧 化 層 下 已 有 電 子 反 轉層 存 在 。 接 通電 子 由 基 底 進 入 P通 道 增 強 模 式l P通 道 增 強 模 式 ： 在 零 閘 極 電 壓 ， 氧 化 層 下 沒 有 電 洞 反 轉層 ， 需 加 負 閘 極 偏 壓 才 會 有 反 轉 層 。 沒 接 通電 子 由 基 底 流 出 P通 道 空 乏 模 式l P通 道 空 乏 模 式 ： 在 零 閘 極 電 壓 ， 氧 化 層 下 已 有 電 洞 反 轉層 存 在 。 接 通電 子 由 基 底 流 出 工 作 原 理l VG VT， 半 導 體 表 面 產 生反 轉 電 子 ， 只 要 加 一 點 汲極 電 壓 ， 可 使 電 子 由 源 極流 向 汲 極 ， 產 生 通 道 電 流I D。l 理 想 狀 況 下 ， 閘 極 電 壓 只控 制 反 轉 電 子 的 多 寡 ， 不會 使 電 子 通 過 氧 化 層 至 閘極 端 。 很 小 平 衡 狀 態 ： VG=0， VDS=0 產 生 反 轉 層 能 帶 圖 維 持 水 平 VG 0， VDS=0 通 道 電 導 （ Channel conductance）l 當 VG VT， VDS比 較 小 時 ，ID與 VDS成 正 比 ， 好 似 電 阻（ 故 稱 為 線 性 區 ） ， 可 表示 為 ： DSdD VgI nnd QLZg Qn為 單 位 面 積 反 轉 電 子 數 ， 當 VG越 大 ， Qn越 大 ， 故 gd越 大 。 VG可 調 變 通 道 電 導 ， 進 而 決 定 通 道 電 流 。通 道 電 導 ： 線 性 區反 轉 電 子 遷 移 率 線 性 區 加 VDS使 得 EFn與 EFp分 開 ， 半導 體 表 面 附 近 的 能 帶 圖 彎 曲 更大 ， 故 空 乏 區 寬 度 越 大 。 小 的 汲 極 電 壓 使 得 能 帶 圖 變 成 好 似 斜坡 ， 電 子 很 容 易 由 S到 D， 產 生 電 流 。 飽 和 區 （ Saturation region）l 當 VDS漸 增 ， 靠 近 汲 極 附 近的 氧 化 層 所 跨 的 電 壓 減 少 ，產 生 反 轉 電 荷 的 能 帶 彎 曲 減少 ， 故 反 轉 電 子 減 少 ， ID-VDS圖 的 斜 率 漸 減 。l 當 汲 極 電 壓 增 加 至 使 跨 於 汲極 端 氧 化 層 電 壓 恰 等 於 VT，此 時 反 轉 電 子 密 度 為 零 （ 稱為 夾 止 )， 故 ID-VDS圖 的 斜 率變 為 零 ， 即 電 流 維 持 不 變 ，達 到 飽 和 。l 此 時 TsatDSGS VVV )( TGSsatDS VVV )( 飽 和 區 （ 續 ）l 當 汲 極 電 壓 大 於 VDS(sat)反 轉 電 荷 為 零 的 點 往 源極 移 動 ， 此 時 電 子 注 入空 間 電 荷 區 ， 在 藉 由 電場 掃 至 汲 極 。l 當 VDS VDS(sat)， p點 的電 壓 仍 為 V DS(sat)， 故 ID維 持 不 變 。 電 場 理 想 電 流 電 壓 曲 線增 強 模 式 空 乏 模 式 MOSFET 理 想 條 件l閘 極 構 造 為 理 想 MOS二 極 體 ， 即 沒 有 介 面 陷 阱 、 固定 氧 化 物 電 荷 或 功 函 數 差 。l只 考 慮 漂 移 電 流 。l反 轉 層 的 載 子 移 動 率 為 定 值 （ 電 場 不 會 太 大 ） 。l摻 入 雜 質 於 通 道 內 均 勻 分 布 。l反 向 漏 電 流 可 忽 略 。l通 道 橫 向 電 場 (在 x方 向 的 x， 和 電 流 垂 直 ) 遠 大 於 縱向 電 場 (在 y方 向 的 y， 和 電 流 平 行 )。 電 流 電 壓 關 係 式 漸 變 通 道 近 似 法dRIdV DGdR 1於 基 本 片 斷 dy範 圍 內其 中 ynn QdyZG （ 在 dy範 圍 內 的 通 道 電 導 ） 因 只 考 慮 漂 移 電 流 ， 故 以 歐姆 定 律 來 求 電 流 電 壓 關 係 。 電 流 電 壓 關 係 式 （ 續 ）l 將 歐 姆 定 律 關 係 式 由 y = 0， V = 0積 分 到 y = L， V = VD可求 得 ID關 係 式 ：l 當 VD很 小 時 （ 線 性 區 ） ， ID為 ： 232300 2223222 BBDAsDDBGnD VCqNVVVCLZI qEE Fi 20 21 DDTGnD VVVVCLZI for TGD VVV 其 中 臨 限 電 壓 BBAsT CNV 222 0 （ 無 功 函 數 差 及 氧 化 層 電 荷 ） 理 想 電 流 關 係 圖依 所 推 導 之 電 流 公式 所 畫 之 關 係 圖 ，可 看 出 電 流 電 壓 成正 比 的 線 性 區 以 及電 流 維 持 定 值 的 飽和 區 。 22 TGoxnDsat VVdLZI 利 用 在 飽 和 狀 態 達 到 時 ， 汲極 之 反 轉 電 子 濃 度 為 零 ， 可將 電 流 公 式 簡 化 為 ： TGn常數VDDD VVCLZVIg G 0 Dn常數VGDm VCLZVIg D 0 此 為 閘 極 控 制 電 流 的 能 力0 常數VDDD GVIg )( TGoxn常數VGDm VVLdZVIg D 通 道 電 導 和 傳 導 係 數 （ Transconductance）l在 線 性 區 通 道 電 導 gD 和 傳 導 係 數 gm為 ：l在 飽 和 區 ： 由 MOSFET尺 寸 的 設 計 ，可 獲 得 所 需 之 g m 次 臨 限 區 (Subthreshold region)l 當 閘 極 電 壓 低 於 臨 限 電 壓而 半 導 體 表 面 只 稍 微 反 轉時 ， 理 想 上 汲 極 電 流 應 為零 。l 實 際 上 仍 有 汲 極 電 流 ， 稱為 次 臨 限 電 流 (subthreshold current) 。l MOSFET做 為 開 關 使 用 時 ，次 臨 限 區 特 別 重 要 ， 可 看出 開 關 是 如 何 打 開 及 關 掉 。 次 臨 限 區電 壓 條 件 ： VGS VT 時 現 象 ： ID0 次 臨 限 區 （ 續 ） 聚 積 狀 態 ： 源 極 電 子 要 克 服很 大 的 位 障 才 能 到 達 汲 極 。弱 反 轉 狀 態 ： 源 極 電 子 到 達 汲極 要 克 服 的 位 障 比 較 小 。 強 反 轉 狀 態 ： 源 極 電 子 到 達 汲極 要 克 服 的 位 障 很 小 ， 好 像 歐姆 接 觸 。 次 臨 限 區 （ 續 ）l 在 此 區 電 流 主 要 是 擴 散 電 流 而 不 是 飄 移 電 流 ， 與 載 子 濃度 梯 度 有 關 ， 故 電 流 關 係 式 中 有 指 數 項 ：TGs VV 因 1log GD VIS定 義S越 大 ， 表 示 ID隨 VG 的 變 化 越 小 ， on-off特 性 不 明 顯 ； S越 小 ， 表 示 ID隨 VG的 變 化 越 大 ， on-off特 性 顯 著 。 基 板 偏 壓 效 應 （ Substrate bias effects）l 基 板 可 不 與 源 極 接 在 一 起 另 接 偏 壓 ， 但 必 須 保 持 源 極 到 基板 不 為 導 通 狀 態 （ 逆 向 偏 壓 ） ， 及 VSB必 須 大 於 或 等 於 零 。l VSB大 於 零 時 ， 能 帶 更 彎 曲 ， 有 更 多 的 空 乏 區 電 荷 ：l QSD增 加 ， 故 臨 界 電 壓 也 增 加 。 )2(2 SBfpasdaSD VNexeNQ VSB = 0， 反 轉 點 能 帶 圖 VSB 0 基 板 偏 壓 效 應 （ 續 ）l 造 成 臨 限 電 壓 的 增 加l s增 加 ， 造 成 S的 減 少 ， on-off特 性 更 佳 。 fpSBfpox asoxSDT VC NeCQV 222 S大 S小