MOSFET 的阈电压

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,*,MOSFET,的阈电压,定义：,使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为,阈电压,（或,开启电压,），记为,V,T,。,定义：,当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了,强反型,。,在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压产生的横向电场所决定，而与漏极电压产生的纵向电场无关。,MOS,结构的阈电压,P,型衬底,MOS,结构的,阈电压,。,上图中，,1,、理想,MOS,结构（金属与半导体间的功函数差,MS,=,0，,栅氧化层中的电荷面密度,Q,OX,=,0）,当,V,G,=,0,时的能带图,称为,P,型衬底的费米势,。,上图中，,S,称为,表面势,，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以,q,。,2,、实际,MOS,结构（,MS,0）,当,V,G,=,0,时的能带图,3,、实际,MOS,结构当,V,G,=,V,FB,时的能带图,当 时，可以使能带恢复为平带状态，这时,S,=,0，,硅表面呈电中性。,V,FB,称为,平带电压,。,C,OX,代表单位面积的栅氧化层电容，,T,OX,代表栅氧化层厚度。,4,、实际,MOS,结构当,V,G,=,V,T,时的能带图,要使表面发生强反型，应使表面处的,E,F,-,E,iS,=,q,FP,，,这时,能带总的弯曲量是,2,q,FP,，,表面势为,S,=,S,inv,=,2,FP,。,外加栅电压超过,V,FB,的部分,（,V,G,-,V,FB,）,称为,有效栅电压,。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的,V,OX,与降在硅表面附近的表面电势,S,，,即,V,G,V,FB,=,V,OX,+,S,表面势,S,使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是,2,q,FP,，,表面势为,2,FP,，,于是可得,V,T,V,FB,=,V,OX,+2,FP,V,T,=,V,FB,+,V,OX,+2,FP,上式中，,Q,M,和,Q,S,分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而,Q,S,又是耗尽层电荷,Q,A,与反型层电荷,Q,n,之和。,-,Q,A,Q,M,-,Q,n,C,OX,-,Q,S,P,可得,MOS,结构的阈电压为,再将 和上式代入,V,T,=,V,FB,+,V,OX,+2,FP,中，,关于,Q,A,的进一步推导在以后进行。,作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略,Q,n,。,Q,A,是,S,的函数，在开始强反型时，,Q,A,(,S,),=,Q,A,(,2,FP,)，,故得,1,、阈电压一般表达式的导出,MOSFET,与,MOS,结构的不同之处是：,a),栅与衬底之间的外加电压由,V,G,变为,(,V,G,-,V,B,)，,因此有效栅电压由,(,V,G,-,V,FB,),变为,(,V,G,-,V,B,-,V,FB,)。,b),有反向电压,(,V,S,-,V,B,),加在源、漏及反型层的,PN,结上，使,强反型开始时的表面势,S,inv,由,2,FP,变为,(,2,FP,+,V,S,-,V,B,)。,5.2.2,MOSFET,的阈电压,以下推导,Q,A,的表达式。对于均匀掺杂的衬底，,式中，称为,体因子,。,因此,MOSFET,的阈电压一般表达式为,于是可得,N,沟道,MOSFET,的阈电压为,注意上式中，通常,V,S,0，,V,B,0。,当,V,S,=,0，,V,B,=,0,时，,这,与,前面得到的,MOS,结构的阈电压表达式相同。,称为,N,型衬底的费米势,。,同理，,P,沟道,MOSFET,当,V,S,=0，,V,B,=0,时的阈电压为,式中，,FN,与,FP,可以统一写为,FB,，,代表,衬底费米势,。,2,、影响阈电压的因素,当,V,S,=,0，,V,B,=,0,时，,N,沟道与,P,沟道,MOSFET,的阈电压可统一写为,a),栅氧化层厚度,T,OX,一般来说，当,T,OX,减薄时，,|,V,T,|,是减小的。,早期,MOSFET,的,T,OX,的典型值约为,150,nm,，,目前高性能,MOSFET,的,T,OX,可达,10,nm,以下。,10,15,cm,-3,时，约为,0.3,V。,b),衬底费米势,FB,FB,与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为,MS,与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于,Al Si,系统，,c),功函数差,MS,-,0.6,V,-,1.0 V (N,沟,),-,0.6,V,-,0.2 V (P,沟,),（见图,5-15）,当,N,=,10,15,cm,-3,时，,-,0.9,V (N,沟,),-,0.3,V (P,沟,),MS,=,MS,=,d),耗尽区电离杂质电荷面密度,Q,AD,由于,FB,与掺杂浓度,N,的关系不大，故可近似地得到,e),栅氧化层中的电荷面密度,Q,OX,调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度,N,（,例如离子注入）和改变栅氧化层厚度,T,OX,来实现。,Q,OX,与制造工艺及晶向有关。,MOSFET,一般采用（,100,）晶面，并在工艺中注意尽量减小,Q,OX,的引入。在一般工艺条件下，当,T,OX,=,150,nm,时，,对于,N,沟道,MOSFET，,3,、衬底偏置效应（体效应）,衬底偏置效应：,V,T,随,V,BS,的变化而变化。,当,V,S,=,0,时，可将源极作为电位参考点，这时,V,G,=,V,GS,、,V,D,=,V,DS,、,V,B,=,V,BS,。,对于,P,沟道,MOSFET，,可见，当,|,V,BS,|,增大时，,N,沟道,MOSFET,的阈电压向正方向变化，而,P,沟道,MOSFET,的阈电压向负方向变化。,由于 ，所以,T,OX,越厚、,N,越高，衬底偏置效应就越严重。,4,、,离子注入对阈电压的调整,设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度,R,小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度,x,dmax,，,以,N,I,代表离子注入所新增加的杂质浓度,，,N,A,=,N,A,+,N,I,；,以,Q,I,=,-,qN,I,R,代表离子注入后在耗尽区新增加的电离杂质电荷面密度，则经,离子注入调整后的阈电压为,阈电压的调整量为,