《场效应管小结》课件.ppt

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1、 微电子技术专业微电子技术专业半导体器件单元四单元四 场效应晶体管场效应晶体管小结小结讲授教师：马讲授教师：马 颖颖第第 7 章章 半导体表面特性及半导体表面特性及MOS电容电容 7.1 7.1 半导体表面和界面结构半导体表面和界面结构 了解清洁表面和真实表面的特点 理解Si-SiO2界面的特点及影响因素7.2 7.2 表面势表面势 掌握MIS结构的表面积累、耗尽和反型时表面势与能带特点7.3 MOS7.3 MOS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性 掌握理想MOS的C公式 了解影响实际C-V特性曲线变化的因素7.4 MOS7.4 MOS结构的阈值电压结构的阈值电压 掌握理想与实际阈值电压的

2、计算（含掌握理想与实际阈值电压的计算（含C、S、Wm、QSC）一、半导体表面和界面结构一、半导体表面和界面结构真实表面分为真实表面分为外外表面和表面和内内表面，其中表面，其中内内表面属于快态能级，表面属于快态能级，外外表面属于慢态能级。表面属于慢态能级。利用利用热生长热生长或或化学汽相淀积人工生长化学汽相淀积人工生长方法在方法在Si面上生长面上生长SiO2层，可厚达几千埃，形成硅层，可厚达几千埃，形成硅-二氧化硅界面。二氧化硅界面。理想表面的特点：在中性理想表面的特点：在中性悬挂键悬挂键上有一个未成键的电子。上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为悬挂键还有两种

3、可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心正电中心，这是，这是施主态施主态；接受第二个电子成为；接受第二个电子成为负电中心负电中心，这是这是受主态受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主施主和和受主受主能级。能级。Si-SiO2界面的结构的应用：界面的结构的应用：MOSMOS结构中的绝缘介质层、器件有源区之间场氧化隔离结构中的绝缘介质层、器件有源区之间场氧化隔离选择掺杂的掩蔽膜、钝化保护膜等选择掺杂的掩蔽膜、钝化保护膜等 可动离子可动离子（钠钠离子，减小该离子沾污的工艺为离子，减小该离子沾污的工艺为磷稳定化磷稳定化和和氯中性化氯中性化）固定电荷固定电

4、荷（氧化层氧化层正正电荷，固定电荷密度由电荷，固定电荷密度由最终氧化温度最终氧化温度决定，减小的方法是决定，减小的方法是在惰性气体中退火在惰性气体中退火）界面陷阱，又称界面态界面陷阱，又称界面态（中性悬挂键引起，界面态的能级中性悬挂键引起，界面态的能级分布？减小方法有分布？减小方法有氢气退火氢气退火和和金属后退火金属后退火工艺工艺）电离陷阱电离陷阱（由辐射、高温高负偏置应力引起的附加氧化层由辐射、高温高负偏置应力引起的附加氧化层电荷的增加，去除和减小的方法是电荷的增加，去除和减小的方法是热退火热退火和和加固加固）一、半导体表面和界面结构一、半导体表面和界面结构二氧化硅层中，存在着严重影响器件性

5、能二氧化硅层中，存在着严重影响器件性能的因素主要有哪些？的因素主要有哪些？二、表面势二、表面势 表面势的概念表面势的概念 空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到空间电荷区表面到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生零，其各点电势也要发生变化，这样表面相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为表面势为表面势S。MIS结构加正向电压时，金属侧积累结构加正向电压时，金属侧积累正正电荷，半导体表面电荷，半导体表面一层便形成空间一层便形成空间负负电荷区。此时，表面势电荷区。此时

6、，表面势S是是正正的，表面的，表面电场由电场由外界指向半导体外界指向半导体，表面的能带向，表面的能带向下下弯曲，此时，表弯曲，此时，表面与体内达到了热平衡，具有共同的面与体内达到了热平衡，具有共同的费米能级费米能级；空间电荷；空间电荷区中的区中的负负电荷恰好与金属中的电荷恰好与金属中的正正电荷相等。电荷相等。二、表面势二、表面势MIS结构加反向电压时，金属侧积累结构加反向电压时，金属侧积累正正电荷，半导体表面电荷，半导体表面一层便形成空间一层便形成空间正正电荷区。此时，表面势电荷区。此时，表面势S是是负负的，表面的，表面电场由电场由半导体指向外界半导体指向外界，表面的能带向，表面的能带向上上弯

7、曲。弯曲。积累积累耗尽耗尽反型反型P型半导型半导体衬底体衬底表面势表面势ss0sF0半导体空间电荷半导体空间电荷空穴积累空穴积累空穴耗尽空穴耗尽电子积累电子积累能带变化能带变化向上弯曲向上弯曲向下弯曲向下弯曲向下弯曲向下弯曲N型半导型半导体衬底体衬底表面势表面势ss0F s0sF0uDS 0uDS 0uDS 0可正（沟道变宽）可正（沟道变宽）可负（沟道变窄）可负（沟道变窄）uGS 0VP0VT0二、二、MOSFETMOSFET的特征曲线的特征曲线 通过通过MOSFETMOSFET的的漏源漏源电流与加在电流与加在漏源极间漏源极间的电压之间的的电压之间的关系曲线即为关系曲线即为输出特性曲线输出特性

8、曲线。这时加在。这时加在栅极上栅极上的电压作为的电压作为参变量。参变量。如图示，该图为什么如图示，该图为什么MOSFETMOSFET的输出特性曲线？其中的输出特性曲线？其中区为区为可调电阻区可调电阻区、区为区为饱和工作区饱和工作区、区为区为雪崩击穿区雪崩击穿区。图中的图中的区沟道是否夹断？有何特点？区沟道是否夹断？有何特点？在可调电阻区，沟道未夹断，在可调电阻区，沟道未夹断，V VDSDS使使沟道中各点的电位不同，从源端到漏端沟道中各点的电位不同，从源端到漏端沟道的厚度变小。此时的沟道区呈现电沟道的厚度变小。此时的沟道区呈现电阻特性，电流阻特性，电流I IDSDS与与V VDSDS基本上是线性

9、关系。基本上是线性关系。而且，而且，V VGSGS越大，沟道电阻越小。越大，沟道电阻越小。MOSFET的临界夹断状态的电压条件为：的临界夹断状态的电压条件为：饱和工作区特点：沟道夹断点从饱和工作区特点：沟道夹断点从漏端漏端向向源端源端移动，漏源电流移动，漏源电流基本上达到基本上达到饱和值饱和值IDSS。当当MOS晶体管工作在晶体管工作在饱和饱和区时，将区时，将工作电流工作电流IDSS与与输入电压输入电压VGS之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为转移特性曲线转移特性曲线。二、二、MOSFETMOSFET的特征曲线的特征曲线 VGS-VDS=VT 左图为什么左图为什么MOSFET的的转移特性曲转移

10、特性曲线？线？二、二、MOSFETMOSFET的特征曲线的特征曲线沟道长度调变效应沟道长度调变效应 在在饱和工作饱和工作区中，当沟道长度区中，当沟道长度L不满足不满足远大于夹断区段长度远大于夹断区段长度(短沟道短沟道)时，时，VDS增大，沟道长度将增大，沟道长度将减小减小，IDSS将随之将随之增加增加，漏，漏源饱和电流随沟道长度的减小而源饱和电流随沟道长度的减小而增大增大的效应称为的效应称为沟道长度调沟道长度调变效应变效应。它与双极型晶体管中的。它与双极型晶体管中的基区宽度调变基区宽度调变效应相当。效应相当。漏源击穿电压漏源击穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：可由两种不同的击穿机理决定

11、：漏极电压漏极电压V VDSDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度L LS S扩展到等于沟道长度扩展到等于沟道长度L L时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。u漏区与衬底之间漏区与衬底之间P-N结的雪崩击穿；结的雪崩击穿；u漏和源之间的穿通。漏和源之间的穿通。三、三、MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性跨导跨导g gm m表征在表征在漏源电压漏源电压V VDSDS不变的情况下，不变的情况下，漏电流漏电流I IDSDS

12、随随着着栅电压栅电压V VGSGS变化而变化的程度，标志了变化而变化的程度，标志了MOSFETMOSFET的的电压电压放放大本领。单位：大本领。单位：西门子（西门子（S S）。线性工作区：线性工作区：跨导与跨导与V VDSDS成正比成正比 饱和工作区：饱和工作区：在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与导与V VDSDS无关。无关。提高跨导的方法提高跨导的方法 （1 1）改进管子的结构提高）改进管子的结构提高：增大沟道的宽长比；增大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以

13、提高沟道内载流子的迁移率。减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。（2 2）在饱和区时，可通过适当增加）在饱和区时，可通过适当增加V VGSGS来提高跨导。来提高跨导。三、三、MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性NMOSFETNMOSFET最高振荡频率最高振荡频率PMOSFETPMOSFET最高振荡频率最高振荡频率减小减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率沟道长度可以有效提高最高振荡频率四、四、MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 倒相器也称为倒相器也称为反相器反相器，由，由反相管（倒相管）反相管（倒相管）和和负载负载两两部分组成。部分组成。反相管通常用反相管通常用N N

14、沟增强沟增强管。管。E/RE/R反相器为反相器为无无源负载即用源负载即用电阻电阻作负载。作负载。有源负载又可分为多种不同的有源负载又可分为多种不同的MOSFETMOSFET，常见有，常见有E/EE/E反相器（用反相器（用N N沟增强管沟增强管作负载）作负载）CMOSCMOS反相器（用反相器（用P P沟增强管沟增强管作负载）作负载）E/DE/D反相器（用反相器（用N N沟耗尽管沟耗尽管作负载）。作负载）。四、四、MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 CMOS结构结构 CMOS倒相器的特点倒相器的特点 在同一在同一N型衬底上同时制造型衬底上同时制造P沟沟MOS管（负载管（负载管）和管）和N

15、沟沟MOS管（倒相管），管（倒相管），N沟沟MOS管制作管制作在在P阱内阱内。在导通和截止两种状态时，始终在导通和截止两种状态时，始终只有一个管子导通，只有很小的漏电只有一个管子导通，只有很小的漏电流通过，所以流通过，所以CMOS倒相器的功耗很倒相器的功耗很小，且开关时间短。小，且开关时间短。四、四、MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 CMOS倒相器的工作原理倒相器的工作原理p当输入脉冲为零当输入脉冲为零(低电平低电平)时时 CMOSCMOS倒相器处于倒相器处于截止截止状态。状态。倒相管倒相管NMOSNMOS增强型管的增强型管的V VGSGS=0=0，处于，处于截止截止状态。状态。负

16、载管负载管PMOSPMOS增强型管的增强型管的V VGSGS00 0,处于处于充分导通充分导通的状态。的状态。负载管负载管PMOSPMOS的的V VGSGS0 0，处于故处于，处于故处于截止截止状态。状态。这时，输出电压这时，输出电压V VD D0 0，为，为低低电平。电平。五、阈值电压五、阈值电压VTVT的控制和调整的控制和调整调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法在半导体近表面处注入精确控制的相对较少的在半导体近表面处注入精确控制的相对较少的硼或磷硼或磷离子离子。硼注入会导致阈值电压。硼注入会导致阈值电压正正漂移，磷注入会导致漂移，磷注入会导致阈值电压阈值电压负负漂移。漂移。通过

17、通过改变氧化层厚度改变氧化层厚度来控制来控制V VT T。氧化层厚度增加，。氧化层厚度增加，N N沟沟道道MOSFETMOSFET的阈值电压会变的阈值电压会变大大，而，而P P沟道沟道MOSFETMOSFET的阈值电的阈值电压将变压将变小小。选择适当的栅极材料来调整功函数差选择适当的栅极材料来调整功函数差从而控制从而控制V VT T。五、阈值电压五、阈值电压VTVT的控制和调整的控制和调整 通过半导体表面处注入离子来调整和控制阈值电压的计算通过半导体表面处注入离子来调整和控制阈值电压的计算通过半导体表面处注入离子来调整和控制阈值电压的计算通过半导体表面处注入离子来调整和控制阈值电压的计算 注入

18、注入硼离子硼离子造成的平带电压漂移类似于固定正造成的平带电压漂移类似于固定正电荷，其量为：电荷，其量为：，F FB B为注入的硼剂量，所以为注入的硼剂量，所以阈值电压由阈值电压由V VT T增加到增加到V VT T注入注入磷离子磷离子造成的平带电压漂移量为：造成的平带电压漂移量为：第第 9 章章MOS功率场效应晶体管功率场效应晶体管 9.1 用作功率放大和开关的用作功率放大和开关的MOS功率场效应功率场效应晶体管（略）晶体管（略）9.2 MOS功率场效应晶体管的结构功率场效应晶体管的结构（分类）（分类）9.3 DMOS晶体管的击穿电压（略）晶体管的击穿电压（略）9.4 DMOS晶体管的二次击穿

19、（略）晶体管的二次击穿（略）9.5 温度对温度对MOS晶体管特性的影响晶体管特性的影响（略）（略）MOSMOS功率功率FETFET的结构的结构 MOS MOS功率功率FETFET具有两种基本结构：具有两种基本结构：二维结构二维结构和和三维结构三维结构。二维横向器件与常规的二维横向器件与常规的MOSMOS晶体管基本相似，晶体管基本相似，只是多一个只是多一个延伸的高电阻漏区延伸的高电阻漏区，这种结构特点有，这种结构特点有助于提高器件的高压性能。助于提高器件的高压性能。在三维器件中，则具有一个在三维器件中，则具有一个纵向的延伸漏区纵向的延伸漏区，通常称之为通常称之为漂移漂移区，漏电极位于片子的底部。

20、这区，漏电极位于片子的底部。这种三维结构可以提高硅片的利用率。种三维结构可以提高硅片的利用率。二维横向结构二维横向结构 补偿栅补偿栅MOS晶体管晶体管 三维结构三维结构 横向横向DMOS晶体管（晶体管（LDMOST）具有纵向漏极的补偿栅具有纵向漏极的补偿栅MOS晶体管晶体管具有纵向漏的具有纵向漏的DMOS晶体管（晶体管（VDMOST）纵向纵向V型槽型槽MOS晶体管（晶体管（VVMOS）截角截角V型槽型槽MOS晶体管（晶体管（VUMOST）MOSMOS功率功率FETFET的结构的结构第第 10 章章10.1 非均匀掺杂对阈值电压的影响（略）非均匀掺杂对阈值电压的影响（略）10.2 MOSFET的小尺寸效应的小尺寸效应小尺寸小尺寸MOS器件的特点器件的特点 短沟道效应短沟道效应 窄沟道效应窄沟道效应 按比例缩小规则按比例缩小规则 热电子效应热电子效应