复旦课件-半导体器件-L03-MOSFET的基本特性
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复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET-37页PPT精品文档
区后就会出现速度饱和效应。
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
最新半导体器件物理-MOSFET上课讲义
理想MOS 电容结构特点
绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电； 半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个
零电场区（硅体区） 绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷； 金属与半导体之间不存在功函数差
2020/12/12
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
费米势：半导体体内费米能级 与禁带中心能级之差的电势表示， fp，fn
表面势 ：半导体表面电势与体内电势之差， s
能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高 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：
2020/12/12
计算可得：Φfp=0.348V， Xd≈0.3μm，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
2020/12/12
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
XIDIAN UNIVERSITY 2020/12/12
4.0 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形
阈值反型点表面电荷特点： 浓度： ns =PP0； 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，
2020/12/12
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
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。
半导体器件物理MOSFET详解演示文稿
2020/11/19
4.1 MOSFET
MOSFET分类(3)
p沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道 VTP<0 加栅压VGS<VTP, 沟道开启
p沟耗尽型MOSFET
零栅压时存在反型沟道 VTP>0 加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
2020/11/19
4.1 MOSFET
MOSFET的阈值电压VT：表面刚刚产生沟道所需的栅源电压 沟道内可动电荷Qn，面电荷密度Q`n=COX(VGS-VT)： 只有VGS大于>VT，表面才产生导电沟道，根据电容电压电荷关系得Q`n
2020/11/19
4.1 MOSFET
I-V定性分析
偏置特点：
n沟增强型
VBS=0, 源衬短接；VGS>VT ,沟道形成；
4.1 MOSFET
0栅压是否存在反型沟道分：
MOSFET分类(2)
n沟增强型MOSFET
n沟耗尽型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道， 零栅压时已存在反型沟道，
VTN>0， 加栅压VGS>VTN, 沟道开启
VTN<0 加栅压VGS<VTN, 沟道关闭
思考：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？
半导体器件物理详解演示 文稿
优选半导体器件物理MOSFET
4.1 MOSFET
结构
MOS电容：外加VG， 氧化层下方半导体表面形成强反型层，连接SD区 强反型层------MOSFET的导电沟道
VDS在沟道上产生电场，载流子从源漂移到漏，被漏极收集形成ID 重要参数：
沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度. 沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度 栅氧厚度tox
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的基本直流特性
讨论VDS=VDsat 时，MOSFET处于什么状态？
Qn ( y ) = −COX [VGS − VT − V ( y )]
如果VDS=VDsat 后，继续增大VDS 用 Qn(y) = 0 来定义夹断点的位置 Qn(L') = 0 V(L') = VGS−VT =VDsat 漏源电压大于 VDsat 的那一部分 (VDS−VDsat) 就将 降落在夹断区上（∆L） 问 题 ： SÆD 的 导 电 沟道被夹断，为什么 漏极电流依然存在？
4.3.4 沟道长度调制效应 考虑沟道长度调制效应： 漏极电流不饱和，输出电阻为有限值
将未夹断区看作一个有效沟道长度为Ｌ'，工作在 临界饱和态的MOSFET 未夹断区上的压降是VDsat ( =VGS−VT )，那么饱和 区漏极电流
' I Dsat =
β'
2
(VGS − VT )
2
=
µ nCOX W
萨之唐方程 （萨方程）（MOS1模型）
β ≡ µ nCOX W L 定义增益因子β 电路模拟软件中通常用的参数：跨导参数κ κ ≡ µ n COX β =κ W L
半导体器件 4.3 12 2002.5
2002.5
半导体器件 4.3
11
4.3.2 萨方程精确解（MOS2） 9 萨方程精确解（MOS2模型） MOS2与MOS1的推导过程一样，基本假定有所区别 假定1~9与MOS1相同 假定10：MOS1忽略体电荷QBM沿y方向的变化， MOS2不忽略
2 L'
(VGS − VT )
2
由于漏极电流∝1/L' ，所以饱和区漏极电流随VDS 的增加而增加。这种现象称为 沟道长度调制效应 Channel Length Modulation（CLM）
MOSFET结构及工作原理动态特性
MOSFET结构及工作原理动态特性MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常见的电子器件，广泛应用于各种电路和系统中。
它由金属栅电极、绝缘层和半导体构成。
MOSFET的工作原理基于场效应，即通过施加栅电压来控制输电区的导电性。
MOSFET的结构主要由P型或N型半导体基片（也称为衬底）和两个PN结组成。
其中一个PN结为源（S）和漏（D）之间的分界面，另一个PN 结为漏（D）或源（S）区与栅（G）之间的分界面。
这两个分界面之间有一层绝缘层，通常是氧化层。
金属栅电极通过绝缘层与半导体相隔并与栅（G）相连。
工作原理：MOSFET的工作原理基于栅电压对源漏之间导电性的控制。
在无外电压施加时，MOSFET处于截止状态，即通道中没有电子传输。
当栅电压施加到一定阈值以上时，MOSFET进入放大状态。
这是因为在栅电极与基片之间形成的正负电压引起了场效应，将基片上的掺杂和与栅电压相关的电子密度调节到一个使导电通道足够大的情况，从而实现电流传输。
因此，栅电压的调节可以控制MOSFET的导电特性。
动态特性：MOSFET的动态特性包括开关速度、功耗和容忍电压等方面。
MOSFET 具有很高的开关速度，这是因为其结构设计使电子在导电通道中移动非常迅速。
此外，它具有低功耗，因为在截止状态下没有电流流动，只有在放大状态下才有电流流动。
此外，MOSFET还具有较高的电压容忍程度，能够承受较高的电压而不损坏。
总结：MOSFET的结构由金属栅电极、绝缘层和半导体构成。
它的工作原理基于栅电压对源漏之间导电性的控制。
在无外电压施加时，MOSFET处于截止状态，而施加足够的栅电压后，MOSFET进入放大状态。
MOSFET具有高的开关速度、低的功耗和较高的电压容忍程度。
该电子器件在各种应用中被广泛使用，包括电源管理、放大器、开关电路、存储器、计算机处理器等。
近年来，MOSFET技术得到了不断的进步和改进，不断提高了工作速度和功耗效率。
复旦大学半导体器件原理讲义L 小尺寸MOSFET的特性
xj 2L
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2 yS xj
⎟⎟⎠⎞1/ 2
⎤ − 1⎥
⎥⎦
+
xj 2L
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2 yD xj
⎟⎟⎠⎞1/
2
−
1⎥⎤⎪⎬⎫ ⎥⎦⎪⎭
≡ 1−α 1 yS + yD
L2
ΔVT = α ( yS + yD )
qε s N (A VB + 0.5VBS )
LCox
VDS ↑ F ↓ VT ↓
QB
L2
ΔVT = α ( yS + yD )
qε s N (A VB + 0.5VBS )
LCox
VDS ↑ F ↓ ΔVT ↑
抑制 VT roll-off 的措施：
1o xj ↓ 2o NA ↑ 3o tox ↓
4o VBS ↓ 5o VDS ↓
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/74
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1207/74
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
1. 现象
长沟道
IDSst ∝ 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
短沟道 IDSst > 1/L
VDS ↑ IDSst ↑ L↓ S↑
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1218/74
3. 轻掺杂漏结构 (LDD)
LDD 结构的电场分布
普通：
( ) E y max = VDS −VDSsat 0.22to1x/ 3 x1j/ 3
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kT N B ln q ni
NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V
VTn NMOS
VT / V
3.2 MOSFET的阈值电压8
3.2.3 影响 VT 的因素
3. 界面固定电荷 QSS 的影响 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS）
22/121
3.1 MOSFET的结构和工作原理4
3.1.2 MOSFET的结构
6/121
3.1 MOSFET的结构和工作原理5
3.1.3 MOSFET的基本工作原理
ID 当 VG > VT 时 ID : 0
7/121
B
3.1 MOSFET的结构和工作原理6
3.1.4 MOSFET 的分类和符号
NMOS
26/121
3.2 MOSFET的阈值电压13
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 n+ VGS n+ EC EC EV EV VGS = VFB, VBS = 0 2qVB EC EC EV VGS = VT, VBS = 0 EV VGS = VT(VBS), VBS > 0 q |VBS| VGS = VFB, VBS > 0 q(2VB+ |VBS|)
接触电势差
功函数差
3.2 MOSFET的阈值电压3
3.2.2 阈值电压的表达式
16/121
n 沟 MOS （NMOS）
VTn ms
Qss qN Ad max 2kT N A ln Cox Cox q ni
p 沟 MOS （PMOS）
Qss qN D d max 2kT N D VTp ms ln Cox Cox q ni
3.2 MOSFET的阈值电压1
3.2.1 半导体的表面状态
14/121
VG = ?
3.2 MOSFET的阈值电压2
3.2.2 阈值电压的表达式
不考虑 ms Qss Qox 时
15/121
QB (d max ) qN Ad max VT 2VB 2VB Cox Cox 1/ 2 N A 2kT N A 1 ln 4 N A s kT ln q n C n i i ox
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
第三章 MOSFET的基本特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理
13/121
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 MOSFET的阈值电压4
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 (1) 金属功函数 Wm
17/121
金属
Wm (eV)
Mg
3Cu
4.7
Au
5.0
Ag
5.1
n+-poly
4.05
p+-poly
5.15
(2) 半导体功函数 Ws
Eg Ws s qVB = 2
3.2.3 影响 VT 的因素
4. 离子注入调整 VT
23/121
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
Rp << dmax
P-Si
增强型 耗尽型
total QB ( d max ) d max ' qN A N A ( x )dx QB ( d max ) QB ( d max )
QB ( d max ) qN Ad max
30/121
Vs 2VB VBS
2 2VB VBS d max (VBS ) s NA q
1/ 2
VTn VBS VGS VBS ms
Qss qN Ad max (VBS ) 2VB VBS VBS Cox Cox 1/ 2 2 V V Q qN 2 Q qN Ad max (VBS ) B BS A s 2VB ms ss 2VB ms ss Cox Cox q NA Cox Cox
3.2 MOSFET的阈值电压5
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 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
18/121
(P-Si)
3.2 MOSFET的阈值电压5
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 多晶硅栅 MOSFET
0
QB ( d max )
d max
0
qN ( x )dx qN Im
' A
VT
QB qN Im Cox Cox
3.2 MOSFET的阈值电压10
3.2.3 影响 VT 的因素
4. 离子注入调整 VT 离子注入调整 VT 应用 1o 调整 MOSFET 的 VT 注硼 使 NMOS 成为增强型 使 PMOS |VT| 降低
增强型 耗尽型 增强型
8/121
PMOS
耗尽型
衬底
S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT + D 符号
p
n+ 电子 + DS SD D D B S G S B
n
p+ 空穴 SD SD + D G S B
G
S
B
G
3.1 MOSFET的结构和工作原理7
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理9
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
2. 转移特性
11/121
D G 输出 S
输入 S
IDSS ~ VGS（VDS为参量）
NMOS（增强型）
3.1 MOSFET的结构和工作原理10
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
2. 转移特性
12/121
VTn VTn VBS VTn VBS 0 VTp VTp VBS VTp VBS 0 2 s qN A 2VB VBS 2VB Cox 2 s qN D Cox
3.1.1 MOSFET简介
4/121
MOSFET vs BJT
MOSFET 电场调节作用 （E ID ） BJT 少子注入 扩散 收集
多子作用（多子器件）
一种载流子（单极） 输入阻抗高 （MOS 绝缘体 > 109 ） 电压控制器件 噪声低，抗辐射能力强
少子作用（少子器件）
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
29/121
q|VBS|
VGS = VT , VBS = 0
VGS = VT(VBS) , VBS > 0
3.2 MOSFET的阈值电压16
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (3) VT(VBS) VBS = 0 时 VBS 0 时
3.4 MOSFET的频率特性
3.5 MOSFET的开关特性
3.6 MOSFET的功率特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理1
3.1.1 MOSFET简介
3/121
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
3.1 MOSFET的结构和工作原理2
3.2 MOSFET的阈值电压11
3.2.3 影响 VT 的因素
5. MOS 栅电极的发展历史
Al栅 PMOS n+-poly PMOS n+-poly NMOS n+-poly CMOS（buried channel PMOS） dual-poly CMOS poly-SiGe gate electrode metal gate
两种载流子（双极） 输入阻抗低 （pn 结正偏，共射~ k） 电流控制器件 ~ 少子 ~ Nit
工艺要求高（~ Qss）
频率范围小，功耗低 集成度高
工艺要求低
高频，大功率 集成度低
3.1 MOSFET的结构和工作原理3
3.1.1 MOSFET简介
5/121
晶体管发展史
1o 提出 FET 的概念 2o FET 实验研究 J. E. Lilienfeld（1930 专利） O. Heil （1939 专利） W. Shockley （二战后）
25/121
Boron penetration in PMOSFET
3.2 MOSFET的阈值电压12
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (1) 衬偏效应的来源
+VDD T2 + 0.5 V T1 +VDD T2 VBS VBS T2 VBS +VDD
24/121
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni Q qN d 2kT N D VTp ms ss D max ln Cox Cox q ni
2o 沟道阻断注入 (Channel-stop implant)