半导体课件第六章概要优秀PPT.ppt

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1、第六章第六章 金属金属氧化物氧化物半导体场半导体场 效应晶体管效应晶体管6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 志向志向MOSMOS结构基于以下假设：结构基于以下假设：（1 1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2 2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b6-2b中的情形。中的情形。由于假设（由于假设（1 1）、（）、（2 2），在无偏压时半导体能带是平直

2、的。），在无偏压时半导体能带是平直的。（3 3）层层是是良良好好的的绝绝缘缘体体，能能阻阻挡挡直直流流电电流流流流过过。因因此此，即即使使有有外外加加电电压压，表表面面空空间间电电荷荷区区也也处处于于热热平平衡衡状状态态，这这使使得得整整个个表表面面空空间间电电荷荷区区中中费费米米能能级级为为常常数数。这这些些假设在以后将被取消而接近实际的假设在以后将被取消而接近实际的MOSMOS结构。结构。6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区 ：每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关

3、系 （6-16-1）式中式中 =自由空间的电容率自由空间的电容率 =氧化物的相对介电常数氧化物的相对介电常数 =半导体表面的电场半导体表面的电场 =半导体相对介电常数半导体相对介电常数 =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压外加电压 为跨越氧化层的电压为跨越氧化层的电压 和表面势和表面势 所分摊：所分摊：（6-26-2）6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区图图6-3加上电压加上电压 时时MOSMOS结构内的电位分布结构内的电位分布6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结

4、构的表面空间电荷区 依据所加栅极的极性和大小，可能出现三种不同表面状况：载流子积累、耗依据所加栅极的极性和大小，可能出现三种不同表面状况：载流子积累、耗尽和反型尽和反型载载流流子子积积累累：紧紧靠靠硅硅表表面面的的多多数数载载流流子子浓浓度度大大于于体体内内热热平平衡衡多多数数载载流流子子浓浓度度时，称为时，称为载流子积累现象。载流子积累现象。单位面积下的空间电荷单位面积下的空间电荷6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 图图6-4 6-4 几种偏压状况的能带和电荷分布几种偏压状况的能带和电荷分布6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构

5、的表面空间电荷区 载流子耗尽载流子耗尽单位面积下的总电荷为单位面积下的总电荷为 式中式中 为耗尽层宽度。为耗尽层宽度。（6-66-6）（6-76-7）（6-56-5）6.1 6.1 志向志向MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 6.1.36.1.3反型和强反型条件反型和强反型条件载载流流子子反反型型：载载流流子子类类型型发发生生变变更更的的现现象象或或者者说说半半导导体体的的导导电电类类型型发发生生变变更更的的现象。现象。导出导出MOSFETMOSFET反型和强反型条件反型和强反型条件反型条件反型条件:强反型条件强反型条件:式中式中 为出现强反型时的表面势。为出现强反型时的表面

6、势。（6-176-17）（6-186-18）6.2 6.2 志向志向MOSMOS电容器电容器6.2 6.2 志向志向MOSMOS电容器电容器 系统单位面积的微分电容系统单位面积的微分电容微分电容微分电容C与外加偏压与外加偏压的关系称为的关系称为MOS系统的电容系统的电容电压特性。电压特性。若令若令（6-226-22）（6-236-23）（6-246-24）（6-256-25）6.2 6.2 志向志向MOSMOS电电容器容器 则则 =绝缘层单位面积上的电容，绝缘层单位面积上的电容，=半导体表面空间电荷区单位面积电容。半导体表面空间电荷区单位面积电容。称为系统的归一化电容。称为系统的归一化电容。（

7、6-266-26）（6-286-28）（6-296-29）6.2 6.2 志向志向MOSMOS电电容器容器 将电容随偏压的变更分成几个区域，变更大致状况如图将电容随偏压的变更分成几个区域，变更大致状况如图6-7所示。所示。图图6-7 6-7 P P型半导体型半导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 说明出现反型层以后的电容C与测量频率有关的现象。答：所谓电容与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。在出现反型层以后，特殊是在接近强反型时，表面电荷由两部分所组成：一部分是反型层中的电子电荷 ，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗尽层中的电离受主电荷 ，它是由于多子空穴的丢失引起的。（6-2

8、1）表面电容 为 考虑 是怎样积累起来的。例如，当MOS上的电压增加时，反型层中的电子数目要增多。P型衬底中的电子是少子，由衬底流到表面的电子特别少，因此，反型层中电子数目的增多，主要依靠耗尽层中电子空穴对的产生。在反型层中实现电子的积累是须要一个过程的。这个过程的弛豫时间由非平衡载流子的寿命所确定，一般比较长。同样，当MOS上的电压减小时，反型层中的电子要削减。电子数目的削减主要依靠电子和空穴在耗尽层中的复合来实现。假如测量电容的信号频率比较高，耗尽层中电子空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变更，那么，反型层中的电子电荷 也就来不及变更。于是，（6-47）这样在高频状况下，随着直流偏压 的增

9、加，增大，电容C减小。当表面形成了强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而e指数地增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再变更，达到极大值 。这时，MOS系统的电容C要达到微小值 。在接近强反型区，假如测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子空穴对的产生与复合过程能够跟得上信号的变更，这时，反型层中的电子电荷的变更，屏蔽了信号电场，对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷基本上不变，因此在这种状况下，表面电容由反型层中电子电荷的变更所确定 在形成强反型以后，随 变更很快，的数值很大。于是，MOS 系统的电容C趋近 ，即随着 的增加，C经过一个微小值，而后快速增大，最终

10、趋近于 。以上说明白MOS系统的C-V关系随测量频率变更的缘由。（6-50）6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 一一 沟道电导沟道电导式中式中 为沟道中的电子浓度。为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。为沟道宽度。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为沟道电导为 （6-516-51）（6-526-52）（6-536-53）6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压二二 阈值电压阈值电压 ：定义为形成强反型所须要的最小栅电压。：定义为形成强反型所须要的最小栅电压。当出现强反型时当出现

11、强反型时 沟道电荷受到偏压沟道电荷受到偏压 限制，这正是限制，这正是MOSFETMOSFET工作的基础。工作的基础。阈值电压：阈值电压：第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷 ；其其次次项项表表示示要要用用一一部部分分电电压压为为半半导导体体表表面面供供应应达达到到强强反反型型时时所所须须要要的的表表面面势势 。（6-516-51）（6-56-54 4）（6-56-55 5）6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 实际的实际的MOS阈值

12、电压和阈值电压和C-V曲线曲线平带电压平带电压阈值电压阈值电压第第一一项项是是，为为消消退退半半导导体体和和金金属属的的功功函函数数差差的的影影响响，金金属属电电极极相相对对于于半半导体所须要加的外加电压；导体所须要加的外加电压；其其次次项项是是为为了了把把绝绝缘缘层层中中正正电电荷荷发发出出的的电电力力线线全全部部吸吸引引到到金金属属电电极极一一侧侧所须要加的外加电压；所须要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷第三项是支撑出现强反型时的体电荷所须要的外加电压；所须要的外加电压；第四项是起先出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。第四项是起先出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。（

13、6-656-65）（6-666-66）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 基本结构和工作过程基本结构和工作过程沟道长度为沟道长度为L，沟道宽度为，沟道宽度为Z图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（a a）低漏电压时低漏电压时 6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 基本结构和工作过程基本结构和工作过程图图6-15 MOSFET6-15 MOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（b b）起先饱和）起先饱和 6.5 6.5 MOSMOS场效

14、应晶体管场效应晶体管 基本结构和工作过程基本结构和工作过程图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（c c）饱和之后饱和之后 6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 静态特性静态特性线性区线性区在下面的分析中，接受如下主要假设：在下面的分析中，接受如下主要假设：（1）忽视源区和漏区体电阻和电极接触电阻；）忽视源区和漏区体电阻和电极接触电阻；（2）沟道内掺杂匀整；）沟道内掺杂匀整；（3）载流子在反型层内的迁移率为常数；）载流子在反型层内的迁移率为常数；（4）长沟道近似和渐近沟道近似，）长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水

15、平电场是相互独立的。即假设垂直电场和水平电场是相互独立的。图图6-16 6-16 N N沟道沟道MOSMOS晶体管晶体管 6.5 6.5 MOSMOS场场效效应应晶体管晶体管 线性区线性区y y处建立起电位处建立起电位V(y)V(y)，因而感应沟道电荷修正为，因而感应沟道电荷修正为 （6-676-67）漂移电子电流漂移电子电流 两边积分得两边积分得 （6-70）式称为萨支唐（）式称为萨支唐（C.T.Sah）方程。方程。（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 饱和区饱和区 假设在假设在L L点发生夹断，点发生夹断，则则 把

16、式（把式（6-736-73）代入式（）代入式（6-706-70）得）得 此式在起先饱和时是有效的。超过这一点，漏极电流可看作是常数。此式在起先饱和时是有效的。超过这一点，漏极电流可看作是常数。全部抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。全部抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。（6-736-73）（6-746-74）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 截止区：截止区：若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层。若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层。结果是，结果是，MOSFETMOSFET象是背对背连接的两个象是背对背连接的两个P-NP-N结一结一样，相互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在样，相

17、互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在这一工作区域与开路相像。这一工作区域与开路相像。6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 MOSFET等效电路中所涉及的小信号参数如下：等效电路中所涉及的小信号参数如下：1.1.线性导纳线性导纳 对式（对式（6-706-70）求导数）求导数 线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，可用下式表示线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，可用下式表示 （6-766-76）（6-756-75）（6-776-77）6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 跨导跨导 线性区：对式（线性区：对式（6

18、-706-70）求导）求导饱和区：对式（饱和区：对式（6-746-74）求导）求导 在假设在假设 为常数时，饱和区跨导为常数时，饱和区跨导 的表示式和线性区导纳的表示式和线性区导纳 的相同的相同提高提高gmgm的具体措施有：（的具体措施有：（1 1）增大载流子迁移率，选用体内迁移率高的材料；（）增大载流子迁移率，选用体内迁移率高的材料；（2 2）减）减小栅氧化层厚度，制作高质量的尽可能薄的栅氧化层；（小栅氧化层厚度，制作高质量的尽可能薄的栅氧化层；（3 3）增大器件的宽长比；）增大器件的宽长比；（4 4）减小器件的串联电阻。）减小器件的串联电阻。（6-796-79）（6-786-78）（6-8

19、06-80）6.86.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型6.86.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 依据反型层类型的不同，依据反型层类型的不同，MOSFET可分四种不同的基本类型可分四种不同的基本类型N沟沟MOSFET：若若在在零零栅栅压压下下沟沟道道电电导导很很小小，栅栅极极必必需需加加上上正正向向电电压压才才能能形形成成N沟沟道道，那那么么，这这种种器器件件就就是是增增加加型型N沟沟MOSFET。若若在在零零偏偏压压下下已已存存在在N型型沟沟道道，为为了了减减小小沟沟道道电电导导，栅栅极极必必需需加加负负电电压压以以耗耗尽尽沟沟道道载载流流子子，这这样样的的器器件件是是耗耗尽型尽型N沟沟MOSFET。对对于于增增加加型型N沟沟器器件件，要要使使沟沟道道通通过过确确定定的的电电流流，正正的的栅栅偏偏置置电电压压必必需需比比阈阈值值电电压压大大。而而耗耗尽尽型型N沟沟器器件件，在在时时，沟沟道道已已可可流流过过很很大大的的电电流流，变变更更栅压可以增加或减小沟道电流。栅压可以增加或减小沟道电流。P沟沟MOSFET：P沟增加型沟增加型P沟耗尽型沟耗尽型把电压的极性变更一下，上述关于把电压的极性变更一下，上述关于N沟器件结论可以很简洁地推广到沟器件结论可以很简洁地推广到P沟器件。沟器件。