Lecture25第六章阈值电压

Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,安徽省微电子机械系统工程技术研究中心,沟道电导与阈值电压,实际,MOS,的,C-V,特性,Prof.Gaobin Xu,Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province of,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009,China,E-mail:,Chap.6 MOSFET,Lecture 25：,Outline,1、阈值电压(,Threshold voltage),2、沟道电导(,Channel conductance),3、实际,MOS,的,C-V,特性,（1）影响,C-V,特性的因素,功函数的影响(,Work function),界面陷阱和氧化物电荷的影响,（2）实际,MOS,阈值电压,（3）实际,MOS,的,C-V,特性,反型层在漏源之间的导电通道，称为沟道。由于沿着垂直沟道方向上电子浓度不同，电导率不同。平均电导率表示为：,一、沟道电导,沟道宽度,感应的沟道电荷,沟道电导为,：,沟道电导,MOSFET,阈值电压,V,TH,是金属栅下面的半导体表面出现强反型、从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。,由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电电子很少，反型层的导电能力较弱，因此，漏电流也比较小。,在实际应用中往往规定漏电流达到某一值,(如50,A),时的栅源电压为阈值电压。从使用角度讲，希望阈值电压,V,TH,小一些好,。,阈值电压是决定,MOSFET,能否导通的临界栅源电压，因此，它是,MOSFET,的非常重要参数。,二、阈值电压,V,G,V,TH,，,才出现负的感应沟道电荷,Q,I,，,则有阈值电压：,或：,强反型时的表面势,强反型时所需要的电压：,三、实际,MOS,的,C-V,特性和阈值电压,1.功函数的影响,对于铝的功函数比,P,型硅的小(前者的费米能级比后者的高)构成,MOS,系统，当达到热平衡时，系统的费米能级为常数；功函数差的存在使面对二氧化硅一侧的硅表面形成空间电荷区。空间电荷区中能带将向下弯曲；这意味着当,MOS,系统没有外加偏压时，半导体表面就存在着表面势,，,且,0。,因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。,由于金属-半导体功函数差导致空间电荷区能带向下弯曲,铝的相对于,SiO,2,修正功函数,硅的相对于,SiO,2,修正功函数,MOS,系统中，应考虑从金属和半导体中的费米能级到二氧化硅的导带边缘的修正功函数,使能带平直，需在金属电极上加一负电压：,表面势大于零,能带将向下弯曲,根据上图，可得硅的修正功函数：,修正亲和势实验值：,E,g,1.1eV,图6-11,Al-SiO,2,-Si,结构的能带图,由于接触电势差的出现，使得平带状况所对应的外加偏压,V,G,=0,改变为,V,G,=,V,G1,。外加偏压,V,G,的一部分,V,G1,用于使能带平直，另一部分,V,G,V,G1,起到理想,MOS,系统的作用。实际系统的电容,C,作为,V,G,V,G1,的函数，与理想,MOS,系统的电容,C,作为,V,G,的函数，在形式上应该是一样的。,2.界面陷阱和氧化物电荷的影响,图6-12 热氧化形成的,Si-SiO,2,系统中的各类电荷,热平衡时,MOS,系统，还受到氧化层电荷和,Si-SiO,2,界面陷阱的影响,界面陷阱电荷,Q,it,，,归功于,Si-SiO,2,界面性质，并取决于界面的化学成分；,1,、在,Si-SiO,2,界面上的陷阱，其能级位于硅禁带之内。,2,、界面态密度(单位面积陷阱数,),和晶面取向有关。,3,、在(100)面界面态密度比(111)面的约少一个数量级，对于硅(100)面，,Q,it,很低，约10,10,cm,-2,，,即大约10,5,个表面原子才有一个界面陷阱电荷，对于硅(111)面，,Q,it,约为10,11,cm,-2,。,界面陷阱电荷,Q,it,（1）影响阈值电压的电荷因素,氧比物固定电荷,Q,f,位于,Si-SiO,2,界面约3,nm,的范围内，这些电荷是固定的，在表面势,大幅度变化时，它们不能充放电。,Q,f,通常是正的，并和氧化、退火条件以及,Si,的晶面取向有关，经过仔细处理的,Si-SiO,2,系统，(100)面的氧化层固定电荷密度的典型值为10,10,cm,-2,，(111),面的为510,10,cm,-2,。,因为(100)面的,Q,it,和,Q,f,较低，故硅,MOSFET,一般采用(100)晶面,氧化物固定电荷,Q,f,氧比物陷阱电荷,Q,ot,和二氧化硅缺陷有关。这些陷阱分布在二氧比硅层内；和工艺过程有关,Q,ot,大都可以通过低温退火来消除。,氧化物陷阱电荷,Q,ot,可动离子电荷,Q,m,(,诸如钠离子和其他碱金属离子)在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动；半导体器件在高偏置电压和高温条件下工作时的可靠性问题可能和微量的碱金属离子沾污有关。在高偏置电压和高温条件下，可动离子随着偏置条件的不同可以在氧化层内来回移动，引起,C-V,曲线沿电压轴移动。因此，在器件制造过程中要特别注意可动离子沾污问题。,可动离子电荷,Q,m,（2）电荷对平带电压的影响,设单位面积上有正电荷,Q,0,位于,x,处的一薄层内。这些正电荷会在正金属表面上感应一部分负电荷,Q,M,，,在半导体表面感应出一部分负电荷,Q,S,，,并且,Q,M,+,Q,S,=,Q,0,；,由于,Q,S,的出现,，,在没有外加偏正,V,G,的情况下，半导体表面内也将出现空间电荷区，能带发生弯曲，半导体表面带有正的表面势,。,显然，有：,单位面积的总氧化层电容,为克服该表面势，可以在金属电极上加一负电压,V,G2,，,使得金属上负的面电荷,Q,M,增加到与绝缘层中的正电荷,Q,0,数值相等，这样使氧化层的正电荷发出电力全部终止到金属电极上而对半导体表面不发生影响。这时半导体表面恢复到平带情况(不考虑功函数差的影响),。,即：,图6-13 氧化层内薄层电荷的影响,绝缘层中正电荷对平带电压的影响与它们的位置有关。它们离金属电极越近，对平带电压的影响越小。如果正电荷在金属与绝缘层界面附近，则对平带电压的影响可忽略不计。,V,G2,图6-13 氧化层内薄层电荷的影响,如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为,(,x,)，,则有：,式中：,有效面电荷，依赖于其在绝缘层中的分布情况,单位面积的电荷,(6-,4-5),(6,-4-4),(6,-4-6),同理，如果已知氧化层内陷阱电荷的体密度,ot,(,x,),和可动离子电荷体密度,m,(,x,),，则可以得到,Q,ot,和,Q,m,，以及它们各自对平带电压的影响：,把上述四种电荷称为氧化层电荷，记为,Q,0,，在大多数情况，在,Si-SiO,2,界面上由表面态引起的电荷占优势。,(6-,4-8),(6-,4-8),取,x,=,x,0,3.实际阈值电压,V,TH,实际阈值电压,四种电荷称为氧化层电荷，记为,Q,0。,实际阈值电压影响因素：,为消除半导体与金属感函数差的影响；金属电极相对于半导体所需要外加的电压；,为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要外加的电压；,半导体表面开始出现强反型时，半导体空间电荷区中电荷,Q,B,与金属电极的相应电荷在绝缘层上所产生的电压降。即支撑出现强反型所需要体电荷,Q,B,的外加电压；,开始出现强反型时，半导体表面所需要的表面势，即跨接在空间电荷区上的电压降。,4.实际,MOS,电容的,C-V,特性曲线,出现平带状态，由原来的理想,MOS,电容的,V,G,=0,，改变为：,V,G,=,V,FB,。一般情况下，,V,G,的一部分,V,FB,用来使能带平直，剩下一部分,V,G,V,FB,起到理想,MOS,电容系统的作用。因此，,C-V,特性曲线整个平移一段距离,V,FB,。,由于,V,FB,0,，所以,C-V,特性曲线向左移动。,由于界面陷阱电荷作用,曲线,c,变形,