尼曼半导体物理与器件第十章综述课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,11,章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础（,2,）,*,0,高等半导体物理与器件,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,0高等半导体物理与器件第十章 金属-氧化物-半导体场,1,主要内容,双端,MOS,结构,电容,-,电压特性,MOSFET,基本工作原理,频率限制特性,小结,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,1主要内容双端MOS结构第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶,2,10.1,双端,MOS,结构,MOSFET,的核心为一个称为,M,O,S,电容的,金属,-,氧化物,-,半导体,结构,金属可是铝或其他金属，更为通用的是多晶硅,图中,t,ox,是氧化层厚度，,ox,是氧化层介电常数,基本,MOS,电容结构,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,210.1 双端MOS结构金属可是铝或其他金属，更为通用的是,3,（,1,）能带图,借助平行板电容器加以解释,加了,负栅压,的,p,型衬底,MOS,电容器的电场，存在,空穴堆积层,加了负栅压的,p,型衬底,MOS,电容器的能带图,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,3（1）能带图借助平行板电容器加以解释加了负栅压的p型衬底M,4,加了,小的正栅压,的,p,型衬底,MOS,电容器的电场，产生,空间电荷区,加小正栅压的,p,型衬底,MOS,电容器的能带图,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,4加了小的正栅压的p型衬底MOS电容器的电场，产生空间电荷区,5,随着,正栅压的增大,，半导体与氧化物接触的表面处能带继续弯曲，出现导带距费米能级更近，呈现出,n,型半导体特点，从而产生了氧化物,-,半导体界面处的,电子反型层,。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,5随着正栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面处能带继续弯曲，,6,对于,n,型衬底,MOS,电容器,正栅压,小负栅压,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,6对于n型衬底MOS电容器正栅压小负栅压第十章 金属-氧化物,7,随着,负栅压的增大,，半导体与氧化物接触的表面呈现出,p,型半导体特点，从而产生了氧化物,-,半导体界面处的,空穴反型层,。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,7随着负栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面呈现出p型半导体,8,（,2,）耗尽层厚度,电势,fp,是,E,Fi,和,E,F,之间的势垒高度：,表面势,s,是体内,E,Fi,与表面,E,Fi,之间的势垒高度，是横跨空间电荷区的电势差。因此，空间电荷区宽度可类似单边,pn,结，写为,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,8（2）耗尽层厚度电势fp是EFi和EF之间的势垒高度：表,9,p,型半导体在阈值反型点时的能带图,表面处的电子浓度等于体内的空穴浓度，该条件称为,阈值反型点,，所加栅压为,阈值电压,。,当外加栅压大于这一值之后，其变化所引起的空间电荷区变化很小。空间电荷区最大宽度,x,dT,为,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,9p型半导体在阈值反型点时的能带图表面处的电子浓度等于体内的,10,对于,n,型衬底,MOS,电容器,电势,fn,同样是,E,Fi,和,E,F,之间的势垒高度：,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,10对于n型衬底MOS电容器电势fn同样是EFi和EF之间,电子反型电荷密度与表面电势的关系,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,11,（,3,）表面电荷浓度,由第,4,章中可知，导带中的电子浓度写为,p,型半导体衬底，电子反型电荷浓度写为,其中，,s,是表面电势超过,2,fp,的部分。,则，电子反型电荷浓度可写为,其中，反型临界点的表面电荷密度,n,st,为,电子反型电荷密度与表面电势的关系第十章 金属-氧化物-半导体,12,（,4,）功函数,金属,-,半导体功函数差定义为：,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,12（4）功函数金属-半导体功函数差定义为：第十章 金属-氧,13,（,5,）平带电压,定义,：当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压。此时净空间电荷为零。,前面的讨论中,假设氧化物中的净电荷为零,，而通常为,正值的净固定电荷可存在于氧化物中靠近氧化物,-,半导体界面,。,平带电压为,单位面积电荷数,单位面积的栅氧化层电容,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,13（5）平带电压定义：当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压。,14,（,6,）阈值电压,忽略反型层电荷,，由电荷守恒原理，可得,其中,阈值电压定义,：达到阈值反型点时所需的栅压。,阈值反型点的定义,：对于,p,型器件当,s,2,fp,时或对于,n,型器件当,s,2,fn,时的器件状态。,阈值电压可表示为：,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,14（6）阈值电压忽略反型层电荷，由电荷守恒原理，可得其中阈,15,p,型、,n,型,MOS,电容器栅压比较：,p,型,MOS,电容器，负栅压表明其为,耗尽型,器件；正偏栅压将产生更多的反型层电荷电子。,n,型,MOS,电容器，负栅压表明其为,增强型,器件；负偏栅压将产生更多的反型层电荷空穴。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,15p型、n型MOS电容器栅压比较：第十章 金属-氧化物-半,16,10.2,电容,-,电压特性,MOS,电容结构是,MOSFET,的核心,器件的电容定义,其中，,dQ,为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压,dV,的微分变量函数。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,1610.2 电容-电压特性MOS电容结构是MOSFET的核,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,17,堆积模式,下栅压微变时的微分电荷分布,（,1,）理想,C,-,V,特性,堆积模式下,MOS,电容器的单位电容,C,，即,栅氧化层电容,MOS,电容器在,堆积模式,时的能带图,t,ox,ox,负栅压,假设,栅氧化层中和氧化层,-,半导体界面处均无陷阱电荷。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础17堆积模式下栅,18,C,（耗尽层）随空间电荷宽度的增大而减小,栅氧化电容与耗尽层电容串联，电压微小变化将导致,空间电荷宽度,和,电荷密度,的微小变化。总电容为,MOS,电容在,耗尽模式,时的能带图,耗尽模式,当栅压微变时的微分电荷分布,s,ox,t,ox,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,18C（耗尽层）随空间电荷宽度的增大而减小栅氧化电容与耗尽,19,实线为理想,MOS,电容器的净电容,平带,由于达到阈值反型点时，空间电荷区宽度达到最大，此时,强反型，理想情况，,MOS,电容电压微小变化将导致,反型层电荷,微分变量发生变化，而空间电荷宽度不变。,反型层电荷跟得上电容电压变化,，则总电容就是栅氧化电容,p,型衬底,MOS,电容,低频,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,19实线为理想MOS电容器的净电容平带由于达到阈值反型点时，,20,通过,改变电压坐标轴的符号,，可得到,n,型衬底,MOS,电容器,的理想,C,-,V,特性曲线。,正偏压时为堆积模式,，,负偏压时为反型模式,。,n,型衬底,MOS,电容器理想,低频,电容和栅压的函数关系图,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,20通过改变电压坐标轴的符号，可得到n型衬底MOS电容器的理,21,（,2,）频率特性,反型层中的电子浓度不能瞬间发生改变,；高频时，只有金属和空间电荷区中的电荷发生改变，,MOS,电容器的电容就是前面所述的,C,min,。,反型层电荷密度改变的电子来源,：,一是来自通过空间电荷区的,p,型衬底中的少子电子的的扩散，即,反偏,pn,结中理想饱和电流,的产生；,二是在空间电荷区中由热运动形成的电子,-,空穴对，即,pn,结中,反偏产生电流,。,反型模式,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,21（2）频率特性反型层中的电子浓度不能瞬间发生改变；高频时,22,p,型衬底,MOS,电容器低频和高频电容与栅压的函数关系图,（,3,）固定栅氧化层和界面电荷效应,前面讨论的是理想情况下的,C,-,V,特性，实际上,固定的栅氧化层电荷,或,氧化层,-,半导体界面的电荷,会改变,C,-,V,特性曲线。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,22p型衬底MOS电容器低频和高频电容与栅压的函数关系图（3,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,23,不同有效氧化层陷阱电荷值下，,p,型,MOS,电容器高频电容与栅压的函数关系图,氧化层界面处表明界面态的示意图,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础23不同有效氧化,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,24,当,MOS,电容器偏置时,p,型半导体中被表面态俘获的电荷及其能带图。,禁带中央,堆积模式,反型模型,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础24当MOS电容,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,25,MOS,电容器的高频,C,-,V,特性曲线，说明界面态效应,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础25MOS电容器,26,10.3 MOSFET,基本工作原理,MOS,场效应晶体管的电路是由于,反型层,以及氧化层,-,半导体界面相邻的,沟道区,中的电荷的流动形成。,（,1,）,MOSFET,结构,MOSFET,器件共有,4,种类型,：,n,沟道增强型、,p,沟道增强型、,n,沟道耗尽型、,p,沟道耗尽型。,增强的含义,：氧化层下面的半导体衬底在,零栅压时不是反型的,。,耗尽,：,栅压为零时,氧化层下面,已经存在沟道区,。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,2610.3 MOSFET基本工作原理MOS场效应晶体管的电,27,n,沟增强型,n,沟耗尽型,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,B,p,沟增强型,p,沟耗尽型,27n沟增强型n沟耗尽型第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶,28,（,2,）电流,-,电压关系,概念,图（,a,），此种偏置下，,无电子反型层,，漏,-,衬底,pn,结反偏，,漏电流为零,（忽略,pn,结漏电流）。,图（,b,）电子反型层产生，加一较小,V,DS,，反型层电子从源流到漏，,电流从漏到源,；此理想情况，无电流从氧化层向栅流过。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,28（2）电流-电压关系概念图（a），此种偏置下，无电子,29,对于较小的,V,DS,，,沟道区具有电阻的特性,式中，,g,d,为,V,DS,0,时的,沟道电导,。,漏电压,漏电流,单位面积的反型层电荷数量,栅压的函数,基本,MOS,晶体管的工作机理为栅压对沟道电导的调制作用，而沟道电导决定漏电流,当,V,GS,V,T,时，沟道反型层电荷密度增大，从而增大沟道电导。,g,d,沟道宽度,沟道长度,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,29对于较小的VDS，沟道区具有电阻的特性式中，gd为VDS,30,V,GS,V,T,，,V,DS,较小,时，相对,电荷密度,在沟道长度方向上为一,常数,。,随着,V,DS,增大,，漏端附近的氧化层压降减小，意味着,漏端附近反型层电荷密度也将减小,。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,30VGSVT，VDS较小时，相对电荷密度在沟道长度方向上,31,V,DS,增大到漏端氧化层压降为,V,T,时，,漏端反型电荷密度为,0,，此时漏端电导为,0,。,V,DS,V,DS,（,sat,）,时，,沟道反型电荷为,0,的点移向源端,。在电荷为零的点处，电子被注入空间电荷区，并被电场扫向漏端。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,漏端氧化层压降为,V,T,时的,V,DS,31VDS增大到漏端氧化层压降为VT时，漏端反型电荷密度为0,32,n,沟道,增强型,MOSFET,的,I,D,-,V,DS,特性曲线,饱和区,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,32n沟道增强型MOSFET的ID-VDS特性曲线饱和区第十,33,n,沟道耗尽型,MOSFET,：,一种情况,n,沟道是由金属,-,半导体功函数差和固定氧化层电荷生成的电子反型层；,另一种情况,沟道是一个,n,型半导体区。,负栅压,可在氧化层下产生一空间电荷区，从而减小,n,沟道区的厚度，进而,g,d,减小，,I,D,减小。,正栅压,可产生一电子堆积层，从而增大,I,D,。,为使器件正常截止，沟道厚度必须小于最大空间电荷宽度,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,33n沟道耗尽型MOSFET：为使器件正常截止，沟道厚度必须,34,（,4,）跨导,MOSFET,的,跨导,g,m,（晶体管增益）：,相对栅压的漏电流的变化,。,MOSFET,电路设计中，晶体管的尺寸，尤其是,沟道宽度,W,是一个重要的工程设计参数,。,（,5,）衬底偏置效应,前面讨论的情况，衬底（体）都于源相连并接地。,在,MOSFET,电路中，,源和衬底不一定是相同电势,。,源到衬底的,pn,结必须为零或反偏,，以,n,型,MOSFET,为例，即,V,SB,0,。,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,34（4）跨导MOSFET的跨导gm（晶体管增益）：相对栅压,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,35,10.4,频率限制特性,（,1,）小信号等效电路,MOSFET,被用于线性放大电路，用小信号等效电路进行分析，等效电路包括产生频率效应的电容和电阻。,漏,-,衬底,pn,结电容,栅极电容,，体现栅极与源、漏附近沟道电荷间的相互作用,寄生或交叠电容,和源、漏极相关的,串联电阻,内部栅源电压,，控制沟道电流,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础3510.4 频,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,36,（,2,）频率限制因素与截止频率,MOSFET,中有两个基本的频率限制因素。,第一个因素为,沟道输运时间,。,另一个因素为,栅电极或电容充电时间,。,共源,n,沟,MOSFET,的高频小信号等效电路,截止频率,f,T,：器件的电流增益为,1,时的频率，或是当输入电流,I,i,等于理想负载电流,I,d,时的频率。,第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础36（2）频率限,37,小 结,MOS,电容器的三种工作模式，以及一些关键的参数,MOS,电容器的理想,C,-,V,特性,MOSFET,的基本物理结构,MOSFET,的频率特性,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,37小 结MOS电容器的三种工作模式，以及一些关键的参数第,谢 谢！,第十章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,谢 谢！第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,