4场效应晶体管.pptx

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1、会计学14场效应晶体管场效应晶体管PPT课件课件第一页，共45页。促进MOS晶体管发展(fzhn)的4大技术半导体表面的稳定化技术半导体表面的稳定化技术(jsh)(jsh)各种栅绝缘膜的实用化技术各种栅绝缘膜的实用化技术(jsh)(jsh)自对准结构的自对准结构的MOSMOS工艺工艺阈值电压的控制技术阈值电压的控制技术(jsh)(jsh)第1页/共45页第二页，共45页。2.6.1 MOSFET2.6.1 MOSFET结构结构(jigu)(jigu)MOSFET:MOS field-effect transistorMOSFET:MOS field-effect transistor也叫：绝缘

2、栅场效应晶体管（也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Insulated Gate,IGFETGate,IGFET）金属金属-绝缘体绝缘体-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管(MISFET)(MISFET)电压电压(diny)(diny)控制电流控制电流场效应晶体管场效应晶体管分为分为N N沟道和沟道和P P沟道，每一类又分为增强型沟道，每一类又分为增强型和耗尽型。和耗尽型。第2页/共45页第三页，共45页。1 MOSFET1 MOSFET结构结构(jigu)(jigu)示意图示意图第3页/共45页第四页，共45页。MOS器件(qjin)的表征：沟道沟道(u do)长度长度沟道沟道(

3、u do)宽度宽度wL第4页/共45页第五页，共45页。第5页/共45页第六页，共45页。第6页/共45页第七页，共45页。第7页/共45页第八页，共45页。2 MOS 2 MOS 结构结构(jigu)(jigu)MOSMOS是采用电场控制感应是采用电场控制感应(gnyng)(gnyng)电荷的方电荷的方式控制导电沟道式控制导电沟道.为了形成电场为了形成电场,在导电沟道区的止面覆盖了一层在导电沟道区的止面覆盖了一层很薄的二氧化硅层很薄的二氧化硅层,称为栅氧化层称为栅氧化层.栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅,形成栅电形成栅电极极.构成一种金属构成一种金属-氧化物氧

4、化物-半导体结构半导体结构,故称为故称为MOSMOS结构结构.目前栅极大多采用多晶硅目前栅极大多采用多晶硅.第8页/共45页第九页，共45页。2.6.2 MOSFET2.6.2 MOSFET工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理（NMOSNMOS为例）为例）第9页/共45页第十页，共45页。NMOS工作(gngzu)原理VDS VGS-VT第10页/共45页第十一页，共45页。第11页/共45页第十二页，共45页。阈值电压：强反型层形成沟道时的栅源电压VT；(表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目)线性区(Linear region)：VDS=VGS-VT过渡区 ：截止(jizh)区

5、（Cut off）：VGS VT击穿区：PN结击穿；第12页/共45页第十三页，共45页。1 VGS1 VGS小于等于小于等于(dngy)0(dngy)0的情况的情况:截止区截止区两个背靠背的两个背靠背的PNPN结结,源漏间阻抗很大源漏间阻抗很大,电流近似为电流近似为0 0。对应于直流伏安特性中的截止区。对应于直流伏安特性中的截止区。第13页/共45页第十四页，共45页。2 2 沟道沟道(u do)(u do)的形成和阈值电压的形成和阈值电压:线性区线性区（1 1）导电）导电(dodin)(dodin)沟道的形成沟道的形成 图1 P型半导体第14页/共45页第十五页，共45页。(2)(2)、表

6、面、表面(biomin)(biomin)电荷减少电荷减少(施加正电压施加正电压)第15页/共45页第十六页，共45页。(3)(3)、形成耗尽层（继续、形成耗尽层（继续(jx)(jx)增大正电压）增大正电压）第16页/共45页第十七页，共45页。(4)(4)、形成、形成(xngchng)(xngchng)反型层（电压超过反型层（电压超过一定值一定值VTVT）第17页/共45页第十八页，共45页。表面场效应形成(xngchng)反型层（MOS电容结构）第18页/共45页第十九页，共45页。反型层是以电子为载流子的反型层是以电子为载流子的N N型薄层型薄层,就在就在N+N+型源区和型源区和N+N+型

7、漏区间形成通道称为型漏区间形成通道称为(chn wi)(chn wi)沟道。沟道。VDS VGS-VTVDS VDS令：K=Cox n 工艺因子 Cox:单位面积电容；n：电子迁移率 N=K(W/L)导电因子则：IDS=N(VGS-VTN)-VDS/2.VDS 线性区的电压-电流(dinli)方程当工艺一定时，K一定，N与（W/L）有关。第20页/共45页第二十一页，共45页。（2 2）饱和）饱和(boh)(boh)区：区：VDSVGS-VTVDSVGS-VT L S D VDSVDS-(VGS-VT)VGS-VTVGS-VTVGS-VT不变，不变，VDSVDS增加的电压主要降在增加的电压主要

8、降在LL上，由于上，由于LL L L，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以定。所以(suy)(suy)，将以，将以VGS-VTVGS-VT取代线性区电流公取代线性区电流公式中的式中的VDSVDS得到饱和区的电流得到饱和区的电流电压表达式：电压表达式：第21页/共45页第二十二页，共45页。沟道(u do)夹断沟道长度(chngd)调制效应第22页/共45页第二十三页，共45页。MOS的电流电压(diny)特性（3）截止(jizh)区：VGS-VT 0 IDS=0 IDS 输出特性曲线(qxin)VDS 0线性区饱和区|VG5|VG4|VG3|VG2

9、|VG1|VGS-VT1z1；（5 5）击穿区）击穿区VDSVDS增大到一定程度，使晶体管漏增大到一定程度，使晶体管漏-衬底衬底PNPN结击穿。结击穿。第24页/共45页第二十五页，共45页。二、二、PMOSPMOS管管IVIV特性特性(txng)(txng)电流电流-电压表达式：电压表达式：线性区：线性区：IDS=P(|VDS|-|VTp|-|VDS|/2)|VDS|IDS=P(|VDS|-|VTp|-|VDS|/2)|VDS|饱和区：饱和区：IDS=(P/2)(|VGS|-|VTp|)IDS=(P/2)(|VGS|-|VTp|)第25页/共45页第二十六页，共45页。衬底偏置（背栅）效应(

10、xioyng)如果如果MOSMOS管的源区和衬底电压不一致，就会产生管的源区和衬底电压不一致，就会产生(chnshng)(chnshng)衬底偏置效应，会对阈值电压产生衬底偏置效应，会对阈值电压产生(chnshng)(chnshng)影响：影响：其中：其中：g g 为衬底阈值参数或者体效应系数；为衬底阈值参数或者体效应系数；F F 为强反型层的表面势；为强反型层的表面势；VBS VBS为衬底对源区的电压；为衬底对源区的电压；VT0 VT0为为VBSVBS为为0 0时的阈值电压；时的阈值电压；第26页/共45页第二十七页，共45页。1.1.衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度(nngd)(nngd)是一个重

11、要的参数，是一个重要的参数，衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度(nngd)(nngd)越低，器件的阈值电越低，器件的阈值电压将越小压将越小2.2.栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电压有影响。压有影响。3.3.栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧化层厚度应综合考虑氧化层厚度应综合考虑一般通过改变衬底掺杂浓度一般通过改变衬底掺杂浓度(nngd)(nngd)调整器调整器件的阈值电压件的阈值电压第27页/共45页第二十八页，共45页。MOS晶体管类别(l

12、ibi)按载流子类型分：按载流子类型分：NMOS:NMOS:也称为也称为N N沟道，载流子为电子。沟道，载流子为电子。PMOS:PMOS:也称为也称为P P沟道，载流子为空穴沟道，载流子为空穴(kn xu)(kn xu)。按导通类型分：按导通类型分：增强型：增强型：耗尽型：耗尽型：四种四种MOSMOS晶体管：晶体管：N N沟增强型；沟增强型；N N沟耗尽型；沟耗尽型；P P沟增强型；沟增强型；P P沟耗尽型沟耗尽型第28页/共45页第二十九页，共45页。（1 1）N N沟增强沟增强(zngqing)(zngqing)：VDSVGS=VTIDSVGSVTIDS第29页/共45页第三十页，共45页

13、。(b)N(b)N沟耗尽沟耗尽(ho jn)(ho jn)：VDSVGS=VTIDSVGSVTIDSVGS=0第30页/共45页第三十一页，共45页。（C C）P P沟增强沟增强(zngqing)(zngqing)第31页/共45页第三十二页，共45页。（d d）P P沟耗尽沟耗尽(ho jn)(ho jn)第32页/共45页第三十三页，共45页。截止区：截止区：非饱和区非饱和区(线性区和过渡线性区和过渡(gud)(gud)区区)：饱和区饱和区2.6.3 MOSFET2.6.3 MOSFET伏伏-安特性安特性(txng)(txng)第33页/共45页第三十四页，共45页。有效有效(yuxio)

14、(yuxio)沟道长度沟道长度LeffLeffMOSMOS晶体管的跨导为：晶体管的跨导为：非饱和状态非饱和状态第34页/共45页第三十五页，共45页。饱和状态：饱和状态：沟道沟道(u do)(u do)电阻：电阻：特征频率：特征频率：第35页/共45页第三十六页，共45页。1.MOS1.MOS阈值电压阈值电压对对NMOSNMOS而言：而言：VFBVFB为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响引起的电压偏移引起的电压偏移(pin y)(pin y)。VSVS为功函数的影响，为功

15、函数的影响，QSSQSS为氧化层固定电荷密度，为氧化层固定电荷密度，COXCOX为单位面积栅氧化层电容（为单位面积栅氧化层电容（MOSMOS电容）电容）2.6.4 MOS2.6.4 MOS管的电压管的电压(diny)(diny)第36页/共45页第三十七页，共45页。第37页/共45页第三十八页，共45页。2 2 阈值电压阈值电压(diny)(diny)和衬底电压和衬底电压(diny)(diny)的关系的关系3 3阈值电压阈值电压(diny)(diny)和沟道尺寸的关系和沟道尺寸的关系随随L L的减小而减小，随的减小而减小，随WW的增大而增大。的增大而增大。第38页/共45页第三十九页，共45

16、页。MOSFETMOSFET是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向流是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向流动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。L L越小，越小，fTfT和和 gm gm均越大，且集成度也越高，因此，减小均越大，且集成度也越高，因此，减小尺寸将有益于尺寸将有益于MOSMOS特性的提高。特性的提高。MOSFETMOSFET是多子器件，没有少数是多子器件，没有少数(shosh)(shosh)载流子复合载流子复合和存储，因此器件速度较高。和存储，因此器件速度较高。提高迁移率提高迁移率n n也将使也将使fTfT和和gmgm提高，采用高迁移率材料提高，

17、采用高迁移率材料做晶体管是方向。做晶体管是方向。MOSMOS晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。2.6.5 MOS2.6.5 MOS晶体管的特点晶体管的特点(tdin)(tdin)第39页/共45页第四十页，共45页。由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离,因此呈现纯电因此呈现纯电容性高输入阻抗。容性高输入阻抗。由于沟道和衬底之间构成由于沟道和衬底之间构成PNPN结结.为保证只在沟道中有电为保证只在沟道中有电流流过流流过,使用时必然使源区使用时必然使源区,漏区漏区,以及沟道区与衬底之间以及沟道区与衬底之间

18、的的PNPN结处于反偏结处于反偏.这样在同一衬底上形成的多个这样在同一衬底上形成的多个MOSMOS管管之间具有之间具有(jyu)(jyu)自动隔离的效果。自动隔离的效果。目前用多晶硅取代铝作栅极材料目前用多晶硅取代铝作栅极材料.多晶硅耐高温多晶硅耐高温,可形成可形成自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。为了克服电阻增大导致的布线延迟为了克服电阻增大导致的布线延迟,又出现了用钨钼及其又出现了用钨钼及其硅化物作栅极的材料硅化物作栅极的材料,其电阻率比多晶硅低两个数量级。其电阻率比多晶硅低两个数量级。第40页/共45页第四十一页，共45页。2.6.6 MOS 2

19、.6.6 MOS 晶体管模型和模型参数晶体管模型和模型参数L L、W W 沟道长度和宽度沟道长度和宽度VTO VTO 零偏阈值电压零偏阈值电压KPKP跨导系数（跨导系数（unCox)unCox)GAMMA GAMMA 体效应体效应(xioyng)(xioyng)系数系数PHIPHI费米势费米势LAMBDA LAMBDA 沟道长度调制系数沟道长度调制系数R R（D D，S S）漏和源区串联电阻）漏和源区串联电阻CBCB（D D，S S）零偏）零偏B-DB-D，B-SB-S结电容结电容IS IS 衬底结饱和电流衬底结饱和电流CGSO CGSO 单位沟道宽度栅覆盖电容单位沟道宽度栅覆盖电容CGBO

20、CGBO 单位沟道宽度栅单位沟道宽度栅-衬底覆盖电容衬底覆盖电容PBPB衬底结接触电势衬底结接触电势CJ CJ 衬底结零偏势垒电容衬底结零偏势垒电容MJ MJ 梯度因子，梯度因子，RSHRSH薄层电阻薄层电阻第41页/共45页第四十二页，共45页。(1)(1)栅自对准工艺栅自对准工艺在在MOSMOS工艺水平中，在栅氧化工艺水平中，在栅氧化(ynghu)(ynghu)层上先利用多晶硅制做栅极，在形成源漏层上先利用多晶硅制做栅极，在形成源漏区进行扩散或进行离子注入时栅极能起到区进行扩散或进行离子注入时栅极能起到掩膜的作用，自动保证了栅金属与源漏区掩膜的作用，自动保证了栅金属与源漏区的对准问题，此技

21、术称为自对准工艺。的对准问题，此技术称为自对准工艺。(2)(2)硅栅结构硅栅结构多晶硅栅还可以做互连线多晶硅栅还可以做互连线,有利于减小集成有利于减小集成电路芯片面积电路芯片面积,提高集成度。提高集成度。2.6.7 2.6.7 硅栅硅栅MOSMOS结构结构(jigu)(jigu)和自对准和自对准技术技术第42页/共45页第四十三页，共45页。特征线宽：特征线宽：0.09 0.09 栅氧厚度栅氧厚度(hud)(hud)：1.2nm 1.2nm 沟道长度：沟道长度：50nm50nm300mm300mm硅晶片硅晶片 7 7层铜互连层铜互连第43页/共45页第四十四页，共45页。MOSFETMOSFET是单极是单极(dn j)(dn j)器件器件制造简单制造简单,体积小体积小,集成度高集成度高输入阻抗高输入阻抗高,允许很高的扇出允许很高的扇出可以用做双向开关可以用做双向开关可以用做储存器件可以用做储存器件噪声小噪声小,功耗小功耗小,速度相对较慢速度相对较慢第44页/共45页第四十五页，共45页。