复旦-半导体器件-L03-MOSFET的基本特性(课堂PPT).ppt
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1、1/121半导体器件原理半导体器件原理主讲人:蒋玉龙主讲人:蒋玉龙本部微电子学楼312室,65643768Email:http:/10.14.3.1212/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性3/1213.1.1 MOSFET简介3.1 MOSFET的结构和工作原理1Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor4/1213.1.1 MOSFET简介MOSFET
2、 vs BJTMOSFETBJT电场调节作用(E ID)少子注入 扩散 收集多子作用(多子器件)少子作用(少子器件)一种载流子(单极)两种载流子(双极)输入阻抗高(MOS 绝缘体 109)输入阻抗低(pn 结正偏,共射 k)电压控制器件电流控制器件噪声低,抗辐射能力强 少子 Nit工艺要求高(Qss)工艺要求低频率范围小,功耗低高频,大功率集成度高集成度低3.1 MOSFET的结构和工作原理25/1213.1.1 MOSFET简介晶体管发展史1o 提出 FET 的概念 J.E.Lilienfeld(1930 专利)O.Heil (1939 专利)2o FET 实验研究 W.Shockley (
3、二战后)3o Point-contact transistor发明 J.Bardeen W.H.Brattain(1947)4o 实验室原理型JFET研制成功 Schockley (1953)5o 实用型JFET出现 (1960)6o MOSFET出现 (1960)7o MESFET出现 (1966)3.1 MOSFET的结构和工作原理36/1213.1.2 MOSFET的结构3.1 MOSFET的结构和工作原理47/1213.1.3 MOSFET的基本工作原理ID当 VG VT 时 ID:0 B3.1 MOSFET的结构和工作原理58/1213.1.4 MOSFET 的分类和符号NMOSPM
4、OS增强型耗尽型增强型耗尽型衬底pnS/Dn+p+载流子电子空穴VDS+IDSD SS D载流子运动方向S DS DVT+符号GDBSGDBSGDBSGDBS3.1 MOSFET的结构和工作原理69/1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性1.输出特性线性区饱和区击穿区IDS VDS(VGS为参量)NMOS(增强型)输入G输出SSD3.1 MOSFET的结构和工作原理710/1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性1.输出特性3.1 MOSFET的结构和工作原理8NMOS(增强型)NMOS(耗尽型)PMOS(增强型)PMOS(耗尽型)11/1213.1.5 MOSFET
5、 的输出特性和转移特性2.转移特性3.1 MOSFET的结构和工作原理9IDSS VGS(VDS为参量)NMOS(增强型)输入G输出SSD12/1213.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性2.转移特性3.1 MOSFET的结构和工作原理10NMOS(增强型)NMOS(耗尽型)PMOS(增强型)PMOS(耗尽型)13/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性14/1213.2.1 半导体的表面状态3.2 MO
6、SFET的阈值电压1VG=?15/1213.2.2 阈值电压的表达式3.2 MOSFET的阈值电压2不考虑 ms Qss Qox 时考虑 ms Qss Qox 时 VFB 0其中功函数差接触电势差16/1213.2.2 阈值电压的表达式3.2 MOSFET的阈值电压3n 沟 MOS(NMOS)p 沟 MOS(PMOS)17/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压41.功函数差 ms 的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm(eV)3.354.14.554.75.05.14.055.15(1)金属功函数 Wm(2)半导体功函数 Ws=p 型
7、n 沟 MOSn 型 p 沟 MOSn-Sip-SiND(cm3)101410151016NA(cm3)101410151016Ws(eV)4.324.264.204.824.884.9418/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压51.功函数差 ms 的影响(3)Al栅工艺/硅栅工艺自对准多晶硅栅工艺Self-aligned(P-Si)(N-Si)19/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压51.功函数差 ms 的影响N-MOSFET多晶硅栅 MOSFET20/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压61.功函
8、数差 ms 的影响P-MOSFET多晶硅栅 MOSFET21/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压72.衬底杂质浓度 NB 的影响NB 增加 2 个数量级,VB 增加 0.12 VVB/VVTn NMOSVT/V22/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压83.界面固定电荷 QSS 的影响n 沟 MOS(NMOS)p 沟 MOS(PMOS)ND/cm-3NMOSPMOS23/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压94.离子注入调整 VT增强型耗尽型P-SiRp 0ECEVEVECq(2VB+|VBS|)VGS
9、=VT(VBS),VBS 0q|VBS|n+n+p-Si|VBS|0VGSq|VBS|q(2VB+|VBS|)28/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压146.衬底偏置效应(衬偏效应,Body effect)(2)MOSFET 的 VT29/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压156.衬底偏置效应(衬偏效应,Body effect)q|VBS|VGS=VT(VBS),VBS 0VGS=VT ,VBS=0(2)MOSFET 的 VT30/1213.2.3 影响 VT 的因素3.2 MOSFET的阈值电压166.衬底偏置效应(衬偏效应,B
10、ody effect)(3)VT(VBS)VBS=0 时VBS 0 时31/1213.2.3 影响 VT 的因素6.衬底偏置效应(衬偏效应,Body effect)(3)VT(VBS)3.2 MOSFET的阈值电压17 衬偏系数32/1213.2.3 影响 VT 的因素6.衬底偏置效应(衬偏效应,Body effect)(3)VT(VBS)3.2 MOSFET的阈值电压18衬偏效应下的转移特性33/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6
11、 MOSFET的功率特性34/1213.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图3.3 MOSFET的直流特性135/121qV(y)VGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0VGS=VT,VDS 0qVBEFqVBqVBEFEFqV(y)EiSEiBEiSEiBEiBEiSVGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0立体图3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图3.3 MOSFET的直流特性2正面侧面36/1213.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图3.3 MOSFET的直流特性337/1213.3 MOSFET的直流特性43.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图38/1
12、213.3 MOSFET的直流特性53.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图MOSFET 静电势图39/1213.3 MOSFET的直流特性53.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图MOSFET 静电势图40/1213.3 MOSFET的直流特性63.3.2 IDS VDS 的关系假设:1o 源区和漏区的电压降可以忽略不计;2o 在沟道区不存在产生-复合电流;3o 沟道电流为漂移电流;4o 沟道内载流子的迁移率为常数 n(E)=C;5o 沟道与衬底间(pn结)的反向饱和电流为零;6o 缓变沟道近似(Gradual Channel Approximation)n+n+p-SiSGDxy41/
13、1213.3 MOSFET的直流特性73.3.2 IDS VDS 的关系MOSFET 坐标系xyz42/1213.3 MOSFET的直流特性83.3.2 IDS VDS 的关系1.缓变沟道近似(GCA)二维泊松方程GCA在计算 Q(y)时不必考虑 Ey 的影响43/1213.3 MOSFET的直流特性93.3.2 IDS VDS 的关系2.可调电阻区(线性区)强反型条件下(VGS VT)在氧化层极板 y 处感应的单位面积上总电荷 QB(dmax)反型电子y0LV(0)=0V(L)=VDSB2VB+V(y)VDS 较小时负电荷44/1213.3 MOSFET的直流特性103.3.2 IDS VD
14、S 的关系2.可调电阻区(线性区)VDS 较小时 45/1213.3 MOSFET的直流特性113.3.2 IDS VDS 的关系2.可调电阻区(线性区)VDS 较小时跨导参数 可调电阻区 (线性区)当 VDS VGS VT VDS sat夹断点左移,有效沟道缩短夹断区内 Ey Ex,GCA不成立漏端 Eox(L)与源端 Eox(0)方向相反夹断点 Eox(Leff)=0,Qn=0LeffLy长沟道器件:L/L 1长沟道短沟道短沟道器件:L/L 1IDS 不饱和,VDS IDS 沟道长度调制效应ro 从 变为有限大48/1213.3 MOSFET的直流特性143.3.3 MOSFET的亚阈值特
15、性1.亚阈值现象49/1213.3 MOSFET的直流特性153.3.3 MOSFET的亚阈值特性2.亚阈值区的扩散电流弱反型时(VB Vs 2VB),半导体表面处 p(0,y)n(0,y)NA载流子浓度低J漂移 J扩散电流连续V(0)=0V(L)=VDSIy=常数n(0)=?n(L)=?50/1213.3 MOSFET的直流特性163.3.3 MOSFET的亚阈值特性2.亚阈值区的扩散电流载流子浓度分布当 VDS 较小时(VDS 0(实际)gm|饱和区 VDS 很小VDS 稍大但仍 VDSsat沟道长度调制效应漏区电场静电反馈作用gm=线性区饱和区61/1213.3 MOSFET的直流特性2
16、63.3.4 MOSFET 直流参数3.低频小信号参数(3)等效电路vGS+iDSGSSDgmvGSro=gD 1vDS(VGS VT)线性区 0 饱和区62/1213.3 MOSFET的直流特性273.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(1)栅电场影响(Ex)VGS Ex n=550 950 cm2/Vs p=150 250 cm2/Vss bulk/2n/p=24n(x,y)dchx63/1213.3 MOSFET的直流特性283.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(1)栅电场影响(Ex)有效迁移率64/1213.3 MOSFET的直流特性293
17、.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(1)栅电场影响(Ex)1o 线性区:VGS 较小时,斜率增加等间距 VGS 较大时,曲线密集IDS=线性区饱和区2o 饱和区:VGS 较大时,IDSsat 随 VGS 增加不按平方规律栅电场对迁移率影响65/1213.3 MOSFET的直流特性303.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(2)漏电场 Ey 影响(载流子速度饱和效应)v(Ey)=Ey EsatEy Esat在 Ey=Esat 处 v(Ey)连续 eff(Ex)v 不饱和区v 饱和区66/1213.3 MOSFET的直流特性313.3.5 MOSFET
18、 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(3)对 gm 的影响gm=线性区饱和区1o VGS 影响gmsVGSVT0VGS Ex eff 67/1213.3 MOSFET的直流特性323.3.5 MOSFET 的二级效应1.非常数表面迁移率效应(3)对 gm 的影响2o VDS 影响v(Ey)=Ey EsatL 时,当 gm“饱和”区69/1213.3 MOSFET的直流特性343.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)EFmEFpECEVEFn(y)x.y GCA 假设:Ey 只影响载流子沿沟道方向的输运,而不影响沟道中载流子数量。表面势 Vs
19、由 VGS 唯一确定,而与 VDS 无关。QB=常数=qNAdmax常数,不随 y 变化但当 VDS 较大时,GCA假设不成立。QB 是 y 的函数强反型时(指源端)QB=QB(y)=QB(dmax(y)70/1213.3 MOSFET的直流特性353.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)体电荷模型强反型时y=0 LV(y)=0 VDSVs(y)=2VB 2VB+VDS重新计算 Qn(y):Vs(y)dmax(y)=71/1213.3 MOSFET的直流特性363.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge M
20、odel)无统一的 VT72/1213.3 MOSFET的直流特性373.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)体电荷模型讨论:1o 简单模型(Square-law model)高估 IDS 约 2050%,Why?NA IDS 偏差 Why?2o 简单模型(Square-law model)高估 VDSsat,Why?3o 当 VDS 2VB 时,VT73/1213.3 MOSFET的直流特性383.3.5 MOSFET 的二级效应2.体电荷变化效应(Bulk-Charge Model)体电荷模型讨论:4o 计算 VDSsatVDSsatVD
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