半导体器件物理-MOSFET..
MOSFET基础知识介绍
MOSFET基础知识介绍MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，用于在电子电路中控制电流的流动。
它由金属氧化物半导体结构组成，具有高输入阻抗、低功耗和高电压承受能力等优点，因此在各种应用中广泛使用。
MOSFET的结构包括有源区、漏源区、栅极和绝缘层等部分。
有源区通常由P型半导体材料组成，而漏源区则是N型或P型半导体材料。
两个区域之间的绝缘层是一个非导电的氧化物层，通常是二氧化硅。
栅极是一个金属或多晶硅的电极，用于控制电流的流动。
MOSFET的工作原理基于栅极电压的控制。
当栅极电压为零或低于临界电压时，MOSFET处于截止状态，无法通过电流。
当栅极电压高于临界电压时，介质中的电场会引起有源区附近的载流子（电子或空穴）移动，形成导电路径。
这时，MOSFET处于饱和状态，可以通过电流。
MOSFET有两种常用的工作模式，分别是增强型和耗尽型。
在增强型MOSFET中，栅极电压高于临界电压时，会导致有源区中的载流子浓度增加，从而提高电流的导电能力。
而在耗尽型MOSFET中，栅极电压低于临界电压时，会减少有源区中的载流子浓度，从而减小电流的导电能力。
另一个重要的参数是漏极漏电流。
当MOSFET处于截止状态时，理想情况下应该没有电流通过，但实际上会存在微小的漏电流。
漏极漏电流越小，MOSFET的性能越好。
MOSFET还有一些特殊类型，例如增压型MOSFET和均衡型MOSFET。
增压型MOSFET通过增加外加电压来提高导电能力。
均衡型MOSFET则可以在两个有源区之间实现均衡的电流分布，以提高功率放大器的线性度。
MOSFET在各种应用中都有重要的作用。
在数字电路中，MOSFET可以作为开关使用，用于控制逻辑门和存储器等器件的操作。
在模拟电路中，MOSFET可以作为放大器使用，用于控制电压和电流的变化。
此外，MOSFET还常用于功率放大器、电源和开关模式电源等领域。
总而言之，MOSFET是一种重要的半导体器件，具有高输入阻抗、低功耗和高电压承受能力等优点。
北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
MOSFET介绍解读
MOSFET介绍解读MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的场效应晶体管，是现代电子设备中的重要组成部分。
它具有高速开关速度、低功耗和较低的驱动电压等优势，广泛用于各种集成电路和功率电子应用中。
本文将对MOSFET进行介绍和解读。
MOSFET是一种三端器件，包括源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。
它是由P型或N型半导体基片、氧化层和金属电极组成。
栅极下方通过氧化层与基片隔离，形成栅氧化物层，从而实现对栅极与基片之间的电荷的控制。
MOSFET的工作原理是通过调节栅极电场来控制漏极和源极之间的电流。
当MOSFET的栅极电压低于阈值电压时，它处于截止状态，漏极和源极之间的电阻很大，几乎没有电流通过。
当栅极电压高于阈值电压时，MOSFET处于开启状态，可以通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流大小。
此特性使得MOSFET成为理想的开关器件。
此外，MOSFET还具有较低的驱动电压要求。
由于栅极控制电路的电流很小，MOSFET可以通过低电压驱动，减少功耗和成本。
这也为集成电路提供了更多的设计灵活性。
然而，MOSFET也存在一些局限性和挑战。
首先，栅极电荷的建立和移除需要一定的时间，导致MOSFET的开关速度受到限制。
其次，MOSFET 的工作温度范围较窄，而且对温度的敏感性较高。
另外，MOSFET在高电压应用中也存在一些问题，如漏电和击穿等。
为了克服这些挑战，研究人员和工程师不断改进MOSFET的设计和制造工艺。
例如，引入新的材料和结构可以提高MOSFET的开关速度和功率密度。
而采用新的封装和散热技术可以提高MOSFET的功率处理能力和热稳定性。
总的来说，MOSFET是一种重要的半导体器件，具有许多优点，如低功耗、高速开关速度和较低的驱动电压要求。
它在各种领域的应用广泛，包括集成电路、功率电子、射频和通信等。
通过不断的研究和创新，MOSFET的性能将进一步得到改善，为我们的现代电子设备提供更高效、更可靠的解决方案。
半导体物理与器件-第十章-MOSFET基础(1)(MOS结构-CV特性)
11.2.2反型状态(高频)
加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅 压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化， 只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽 度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。
C' (inv)
C' (dep)min
tox
ox ox
tox
xdT
f 5 ~ 100Hz
f ~ 1MHz
强反型状态(低频)
加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层 电荷跟得上栅压的变化
C' (inv)
Cox
ox
tox
平带 本征
41
10.2 C-V特性
n型与p型的比较
负偏栅压时为堆积模式， 正偏栅压时为反型模式。
p型衬底MOS结构
n型衬底MOS结构
正偏栅压时为堆积模式， 负偏栅压时为反型模式。
42
10.2 C-V特性
Cox
Cox
＋2 fp
ms
| Q'SD max | Cox
VFB＋2 fp
|QSDmax|=e Na xdT
f (半导体掺杂浓度,氧化层电荷,平带电压,栅氧化层电容）27
10.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系
P型衬底MOS结构
Q′ss越大，则VTN的绝对值 越大； Na 越高，则VTN的值（带符 号）越大。
栅压频率的影响
43
小节内容
理想情况CV特性
CV特性概念 堆积平带耗尽反型下的概念 堆积平带耗尽反型下的计算
频率特性
高低频情况图形及解释
44
10.2.3固定栅氧化层电荷和界面电荷效应
对MOS的C-V的影响主要有两种： （1）固定栅氧化层电荷 （2）氧化层-半导体界面电荷
mosfet内部结构
mosfet内部结构摘要：一、MOSFET 的基本概念二、MOSFET 的内部结构1.栅极2.源极3.漏极4.衬底三、MOSFET 的工作原理四、MOSFET 的应用领域五、总结正文：一、MOSFET 的基本概念MOSFET（金属- 氧化物- 半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，具有开关速度快、工作电压低、输出功率大等特点。
它主要由n 型或p 型半导体材料制作而成，广泛应用于电力电子、模拟电路和数字电路等领域。
二、MOSFET 的内部结构MOSFET 的内部结构主要包括栅极、源极、漏极和衬底。
1.栅极：栅极是MOSFET 的控制极，用于控制电流的流动。
栅极通常由金属材料制作，与源极和漏极之间有一层绝缘层，防止电流流过去。
2.源极：源极是MOSFET 的电流输入端，也是电子和空穴的发射区。
在nMOSFET 中，源极由n 型半导体材料制作；而在pMOSFET 中，源极由p 型半导体材料制作。
3.漏极：漏极是MOSFET 的电流输出端，也是电子和空穴的接收区。
在nMOSFET 中，漏极由p 型半导体材料制作；而在pMOSFET 中，漏极由n 型半导体材料制作。
4.衬底：衬底是MOSFET 的支持结构，通常由p 型或n 型半导体材料制作。
衬底为MOSFET 提供电导通道，并承受源极和漏极之间的电压。
三、MOSFET 的工作原理MOSFET 的工作原理主要基于半导体材料的场效应。
当栅极施加正向电压时，栅极下的半导体材料中的电子被吸引到栅极附近，形成一个导电通道。
这个通道连接了源极和漏极，使得电流得以流动。
反之，当栅极施加负向电压时，导电通道消失，电流无法流动。
四、MOSFET 的应用领域MOSFET 广泛应用于各种电子设备和电路中，如电源开关、放大器、振荡器、信号处理器等。
其优秀的性能使得MOSFET 成为现代电子技术的重要组成部分。
五、总结MOSFET 是一种重要的半导体器件，其内部结构包括栅极、源极、漏极和衬底。
半导体器件原理-MOSFET的基本特性
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (3) VT(VBS) 衬偏效应下的转移特性
第三章 MOSFET的基本特性 33/121
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
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
(2) MOSFET 的 VT
0
VGS
n+
n+
p-Si
−|VBS|
EC
EC
EV
EV VGS = VFB, VBS = 0
EC 2qVB
EC
EV
VGS = VT, VBS = 0
EV
q |VBS| q |VBS|
q(2VB+|VBS|) EC EECV
耗尽型
p
n+
电子
+
D →S
S→D
+
−
D
D
G
BG
B
S
S
PMOS
增强型
耗尽型
n
p+
空穴
−
S→D
S→D
−
+
D
D
G
B
G
B
S
S
3.1 MOSFET的结构和工作原理79/121
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
1. 输出特性
G
输入 S
D 输出
S
饱和区 线性区
击穿区
半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
COX
0 Si
TOX
16
PPT课件
三、MOSFET的直流特性
1、阈值电压
• 平带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 ， 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 （Qfc），金属—半导体功函数差 Vms也不等于零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差），因此，当VG＝0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响， 这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）
4 PPT课件
随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。
半导体器件物理MOSFET-part1
Surface channel FET Buried channel FET
2021/4/9
11
MOSFET: Introduction
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.
The principal device of VLSI technology. High volume production. Well suited for scaling.
2021/4/9
5
Types of FETs
Junction field effect transistors (JFET) Metal semiconductor field effect transistors
(MESFET) Isolated Gate FET
-Metal insulator semiconductor field effect transistors (MISFET)
Consequence: •The cost per bit is decreasing rapidly and continuously. •Widespread use of information technology.
Physics of Semiconductor Device
School of Microelectronics and Solid-State Electronics UESTC
2021/4/9
1
Contact info
LIU Yang Email: yliu1975@ Room 1006, BLK 211
2021/4/9
8
Types of FETs
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西安电子科技大学
XIDIDIAN UNIVERSITY
第四章 MOS场效应晶体管
MOSFET的预备知识
2018/9/13
1
4.0 MOSFET的预备知识
氧化层介电常数 Al或高掺杂的 多晶Si
MOS电容
SiO2 氧化层厚度
n型Si或p型Si
MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容
阈值反型点后，VG增加：
表面处可动电子电荷浓度在ns =PP0基础上指数迅速大量增加：
E EFi ns ni exp F kT
e（s fp） n exp i kT
→
2 s ni ns exp Na V t
EFS EFi
栅压增加， s 增大，更多的多子被耗尽，Q`dep （=e Naxd）增加
同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面反型电子Qinv积累，反型层形成 反型层电荷面密度Q`inv=e nsxinv
栅压↑，反型层电荷数Qinv增加， 反型层电导受栅压调制
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
2018/9/13
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOSFET的预备知识
禁带中心能级
能带图
导带底能级
费米能级
价带顶能级
能带结图： 描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带
晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同
金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（Eg大）、半导体（ Eg 小） 半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同
实例：N a 11016 cm3 T 300K fp 0.347V
s反型 2 fp 0.695V
ns 11016 cm3
表面势增加0.12V，则ns=100PP0， 而Xdep只增加约8%，很小，原因？
XIDIAN UNIVERSITY 2018/9/13
4.0 MOS电容
|Q'SDmax|=e NaXdT
VTN f (栅氧化层电容，半导体 掺杂浓度，氧化层固定 电荷)
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
阈值电压影响因素:栅电容
阈值电压 | Q' SD max | Q' ss VTN － ＋2 fp ms Cox Cox
Xd≈0.3μ m，Xd ≈ 4nm，由此得
Q`dep=-5.5×10-8/cm2, Q`inv = -6.5×10-10/cm2 因此表面电荷面密度为：
P型衬底
Q`-=Q`dep+Q`inv≈Q`dep
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2018/9/13
4.0 MOS电容
表面反型层电子浓度与表面势的关系
VG<VTN： Φs<2Φfp，衬底表面未强反型，沟道未形成
VG>=VTN：Φs>=2Φfp，衬底表面强反型，沟道形成
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
栅氧化层电压 Q ' Q'm VoxT C ' Cox
阈值电压:公式推导
电中性条件 QmT Qss QSD (max) Qn 0 Q'mT Q'ss | Q'SD (max)| | Q'n | Q'mT | Q'SD (max)| Q'ss
4.0 MOS电容
表面反型层电子浓度与表面势的关系
P型衬底
反型层电荷浓度： e（s fp） e（2fp fp） EF EFi ns ni exp n exp Pp 0 N a ni exp i kT kT kT 阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度 阈值电压：
XIDIAN UNIVERSITY 2018/9/13
使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压
4.0 MOS电容
浓度： ns =PP0；
空间电荷区厚度:表面反型情形
阈值反型点表面电荷特点：
厚度： 反型层厚度Xinv<<耗尽层厚度Xd 反型层电荷Q`inv= ens Xinv << Q`dep = eNa Xd 例如：若Na=1016/cm3，栅氧厚度为30nm， 计算可得：Φfp=0.348V，
功函数差Vox0+s0=- ms
VTN VG | s 2 fp Vox s VoxT Vox0 S S 0 Q'm 2 fp (Vox0 S 0 ) Cox | Q' SD max | Cox Q' － ss ＋2 fp ms Cox
VFB
Q'ss VG |s 0 ms Cox
若 ms <0，因Q`ss>0，则VFB<0,
如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?
4.0 MOS电容
表面势=费米势的2倍
阈值电压:定义
阈值电压：半导体表面达到阈值反型点时所需的栅压VG，
VT：VTN,VTP 半导体表面强反型，可认为MOSFET沟道形成
4.0 MOS电容
小的正栅压情形
表面能带图:p型衬底(2)
(耗尽层)
小的正栅压——多子耗尽状态 且由半导体浓度的限制，形 成一定厚度的负空间电荷区 xd
EFS EFi
电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子Na- ，不可动 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯， s >0 xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度
4.0 MOS电容
表面能带图:p型衬底(1)
零栅压情形
零栅压—平带状态 理想MOS电容： 绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为0。 系统热平衡态，能带平，表面净电荷为0
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
接触之后能带图的变化： MOS成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的EF SiO2的能带倾斜 半导体一侧能带弯曲
零栅压下半导体的 表面势
原因：金属半导体Φms不为0
XIDIAN UNIVERSITY
2018/9/13
4.0 MOS电容
氧化层中存在的正电荷
平带电压
可动电荷：工艺引入的金属离子
半导体表面处，耗尽层面电荷密度Q`dep=e Naxd
正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽， xd↑，能带下弯增加
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
大的正栅压情形
X dT
表面能带图:p型衬底(2)
大的正栅压——反型状态 能带下弯程度↑，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
平带电压:定义
4.0 MOS电容
需最小能量。 金属的功函数：
功函数差:MOS接触前的能带图
硅的电子亲和能
功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体外到真空所
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
Ws E0 EFs e
4.0 MOS电容
阈值电压影响因素:掺杂浓度
阈值电压 | Q' SD max | Q' ss VTN － ＋2 fp ms Cox Cox
|Q'SDmax|=e NaXdT
Na影响：Na越小，则VTN越小； 物理过程：Na越小，达到反型所需耗尽的多子越少， Q'SDmax越小，半导体表面易反型。 问题：假定半导体非均匀掺杂，影响VT的是哪部分半导体的浓度？ 氧化层下方的半导体掺杂浓度影响VT 可通过离子注入改变半导体表面的掺杂浓度，调整VT。
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOSFET的预备知识
平行板电容
平行板电容：
上下金属极板，中间为绝缘材料
单位面积电容： C` ox / d 外加电压V，电容器存储的电荷：Q=CV，氧化层两侧电场E=V/d
MOS结构：具有Q随V变化的电容效应， 形成MOS电容
|Q' SDmax | Q' ss
COX影响：COX越大，则VTN越小；
物理过程：COX越大，同样VG在半导体表面感应的电荷越多， 达到阈值反型点所需VG越小，易反型。 COX提高途径： 45nm工艺前，减薄栅氧化层厚度; 45nm工艺后，选择介电常数大的绝缘介质
2018/9/13 XIDIAN UNIVERSITY
如果表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，
采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：
2018/9/13
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
S
表面电荷面电荷密度
d N
一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为S，厚度为d 材料总电荷为Q=
eN S d
陷阱电荷：辐照 界面态：SiSi层中SiSio2界面存在的正的固定电荷
用QSS`等效，
氧化层内的所有正电荷总的面电荷密度
位置上靠近氧化层和半导体界面
2018/9/13
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
QSS`对MOS系统的影响
正 Qss`在M和S表面感应出负电荷