半导体器件物理-MOSFET
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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
分析这种影响可以通过二维器件模 拟程序计算出沟道表面电势分布
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
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
半导体器件物理MOSFET-part3
This maximum of Ids occurs at :
Vds Vdsat (Vg Vt ) m
2
at which,
I ds I sat
W Vg Vt eff Cox L 2m
lightly doped (m=1), Isat reduces to a familiaபைடு நூலகம் expression. Note: for Vds>Vdsat, the current does not decrease and in fact stays constant independent of Vds (saturation region).
I-V in Saturation region
For larger values of Vds, the second order terms in the power series expansion of Ids are not negligible.
The current in this region :
I ds eff Cox
m : the body effect coefficient
W 2 Vg Vt Vds m Vds L 2
Cdm m 1 1 Cox Cox m ~ 1.1-1.4 ; Cdm is the maximum depletion
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Vds Vdsat (Vg Vt ) m
2
at which,
I ds I sat
W Vg Vt eff Cox L 2m
lightly doped (m=1), Isat reduces to a familiaபைடு நூலகம் expression. Note: for Vds>Vdsat, the current does not decrease and in fact stays constant independent of Vds (saturation region).
I-V in Saturation region
For larger values of Vds, the second order terms in the power series expansion of Ids are not negligible.
The current in this region :
I ds eff Cox
m : the body effect coefficient
W 2 Vg Vt Vds m Vds L 2
Cdm m 1 1 Cox Cox m ~ 1.1-1.4 ; Cdm is the maximum depletion
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
Long channel MOSFETs
半导体器件物理
•阈值电压可通过将离子注入沟道区来调整； • •通过改变氧化层厚度来控制阈值电压，随着氧化层 厚度的增加，VTN变得更大些，VTP变得更小些； •加衬底偏压； •选择适当的栅极材料来调整功函数差。
6.2.4 MOSFET的最高工作频率
当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减少） 流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电， 一部分经过沟道流向漏极，形成漏极电流的增量。 当变化的电流全部用于对沟道电容充（放）电时， MOS管就失去放大能力。 最高工作频率定义为：对栅输入电容的充（放） 电电流和漏源交流电流相等时所对应的工作频率，
金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性 的影响
曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线 曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V 曲线
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定 电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。
金 属
可动离子电荷 氧化层陷阱电荷 Na+ K+ 氧化层固定电荷
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs C=CoCj/(Co+Cj) 强反型刚发生时的 金属平行板电压— —阈值电压 一旦当强反型发生时，总 电容保持在最小值Cmin。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
qN AWm VT = + ψ s (inv) ≈ Co 2ε s qN A (2ψB ) Co + 2ψ B
考虑二阶效应，高频时分布电容不能忽略。
6.3 MOSFET按比例缩小
6.3.1 短沟道效应 1. 线性区中的VT下跌 2. DIBL DIBL效应 3. 本体穿通 4. 狭沟道效应
线性区中的阈值电压下跌
电 荷 共 享 模 型
6.2.4 MOSFET的最高工作频率
当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减少） 流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电， 一部分经过沟道流向漏极，形成漏极电流的增量。 当变化的电流全部用于对沟道电容充（放）电时， MOS管就失去放大能力。 最高工作频率定义为：对栅输入电容的充（放） 电电流和漏源交流电流相等时所对应的工作频率，
金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性 的影响
曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线 曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V 曲线
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定 电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。
金 属
可动离子电荷 氧化层陷阱电荷 Na+ K+ 氧化层固定电荷
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs C=CoCj/(Co+Cj) 强反型刚发生时的 金属平行板电压— —阈值电压 一旦当强反型发生时，总 电容保持在最小值Cmin。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
qN AWm VT = + ψ s (inv) ≈ Co 2ε s qN A (2ψB ) Co + 2ψ B
考虑二阶效应，高频时分布电容不能忽略。
6.3 MOSFET按比例缩小
6.3.1 短沟道效应 1. 线性区中的VT下跌 2. DIBL DIBL效应 3. 本体穿通 4. 狭沟道效应
线性区中的阈值电压下跌
电 荷 共 享 模 型
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
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
半导体器件物理MOSFET2
ID随VDS的变化(2)
过渡区
脱离线性区后，VDS ↑, VDS对Vox的抵消作用不可忽略 →沟道厚度不等→沟道等效电阻增加 →ID随VDS的增长率减小（过渡区）
2023/12/2
4.1 MOSFET
ID随VDS的变化(3)
→
饱和点
VGD VGS VDS VT 漏端处于临界强反型点 ，
饱和点： 漏端反型层电荷密度 0 漏端沟道刚好消失
2023/12/2
4.1 MOSFET
I-V特性定性分析
击穿区： VDS再继续↑ →漏极和衬底之间PN结反偏电压过大 →导致pn结耗尽层内发生雪崩击穿，ID急剧增大，进入击穿区， →此时电压为BVDS
输出特性曲线：VGS>VT的某常数时，ID随VDS的变化曲线
4.1 MOSFET
I-V特性定性分析
ID
WnCox
L
(VGS
VT )VDS
g dL
WnCox
L
(VGS
VT
)与 VVGDSS无关
饱和区（VDS VDS(sat ) )
ID
WnCox
2L
(VGS
VT )2
gds 0, 与VDS无关
2023/12/2
4.1 MOSFET
源漏间的有效电阻Rds
源漏间的有效电阻Rds: 沟道电导的倒数
2023/12/2
4.1 MOSFET
按照沟道载流子的导电类型分:
MOSFET分类(1)
n沟道MOSFET：NMOS
P衬，n型反型层，电子导电
p沟道MOSFET：PMOS N衬，p型反型层，空穴导电
VDS>0, ID>0
VDS<0, ID<0
半导体器件物理-MOSFET
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
表面能带图:p型衬底(2)
阈值反型后， xd↑最大值XdT不再扩展：
表面处总的负电荷面密度Q`-=Q`dep+Q`inv 强反型后，若VG进一步↑→ΦS↑→表面处可动电子电荷浓度在ns =PP0 基础上指数增加→表面处负电荷的增加△Q-主要由△ns贡献→Qdep基 本不变→表面耗尽层宽度Xd基本不变，在阈值反型点开始 达到 最大XdT 强反型后，增加的VG基本上用于改变栅氧化层两侧压降VOX，反型 电荷Q`n=COX(VG-VT)增多，Фs改变量很小，耗尽层电荷近乎不变
|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
2014-12-12 XIDIAN UNIVERSITY
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
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4.0 MOS电容
表面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
2018/11/14 XIDIAN UNIVERSITY
场效应器件物理
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
2018/11/14
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
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
XIDIAN UNIVERSITY
2018/11/14
4.0 MOS电容
表面反型层电子浓度与表面势的关系
2018/11/14
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
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
2018/11/14 XIDIAN UNIVERSITY
表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）Q`=
eN d
2018/11/14
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
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
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：
2018/11/14 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
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
2018/11/14 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。
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
2018/11/14 XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容
负栅压情形
表面能带图:p型衬底(1)
EFS EV
负栅压——多子积累状态
电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累 能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯， <0
s
2018/11/14
XIDIAN UNIVERSITY
2018/11/14 XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOSFET的预备知识
表面势和费米势
禁带中心能级
费米能级
P型衬底
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
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
XIDIAN UNIVERSITY 2018/11/14
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，
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：
2018/11/14
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