半導(dǎo)體器件物理與工藝 第6章.ppt

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1、第6章MOSFET及相關(guān)器件6.1MOS二極管6.2MOSFET基本原理6.3MOSFET按比例縮小6.4CMOS與雙極型CMOS6.5絕緣層上MOSFET6.6MOS存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)相關(guān)主題MOS二極管的VT與反型條件MOSFET基本特性按比例縮小理論與短溝道效應(yīng)的關(guān)系低功耗CMOS邏輯MOS存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)基本FET結(jié)構(gòu)6.1MOS二極管MOS二極管是MOSFET器件的樞紐；在IC中，亦作為一儲(chǔ)存電容器；CCD器件的基本組成部分。6.1.1理想MOS二極管理想P型半導(dǎo)體MOS二極管的能帶圖：功函數(shù)（金屬的Φm和半導(dǎo)體的Φs）電子親和力理想MOS二極管定義：零偏

2、壓時(shí)，功函數(shù)差Φms為零；任意偏壓下，二極管中的電荷僅位于半導(dǎo)體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等，極性相反；直流偏壓下，無(wú)載流子通過氧化層。MOS二極管中三個(gè)分離系統(tǒng)的能帶圖半導(dǎo)體表面三種狀態(tài)隨金屬與半導(dǎo)體所加的電壓VG而變化，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)三種狀態(tài)：基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。以P型為例，當(dāng)一負(fù)電壓施加于金屬上，在氧化層與半導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，——積累現(xiàn)象。外加一小量正電壓，靠近半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲，使多數(shù)載流子（空穴）形成耗盡——耗盡現(xiàn)象。外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴(yán)重，使表面的Ei越過EF,當(dāng)電子濃度遠(yuǎn)大

3、于空穴濃度時(shí)——反型現(xiàn)象。三種狀態(tài)由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)在各種VG下的表面勢(shì)和空間電荷分布：表面電勢(shì)ψs：ψs<0空穴積累；ψs=0平帶情況；ψB>ψs>0空穴耗盡；ψs=ψB禁帶中心，ns=np=ni；ψs>ψB反型（ψs>2ψB時(shí)，強(qiáng)反型）；強(qiáng)反型時(shí)，表面耗盡區(qū)的寬度達(dá)到最大值：Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm理想MOS二極管的C-V曲線V=Vo+ψsC=CoCj/(Co+Cj)強(qiáng)反型剛發(fā)生時(shí)的金屬平行板電壓——閾值電壓一旦當(dāng)強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)，總電容保持在最小值Cmin。理想MOS二極管的C-V曲線理想情況下的閾值電壓：強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)，Cmin

4、：6.1.2實(shí)際MOS二極管金屬-SiO2-Si為廣泛研究，但其功函數(shù)差一般不為零，且在氧化層內(nèi)部或SiO2-Si界面處存在的不同電荷，將以各種方式影響理想MOS的特性。一、功函數(shù)差鋁：qΦm=4.1ev；高摻雜多晶硅：n+與p+多晶硅的功函數(shù)分別為4.05ev和5.05ev；隨著電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，Φms發(fā)生很大變化；為達(dá)到理想平帶狀態(tài)，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)的電壓，此電壓成為平帶電壓（VFB）。金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響曲線（1）為理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線曲線（2）為金屬與半導(dǎo)體有功函數(shù)差時(shí)的C-V曲線二、界面陷阱

5、與氧化層電荷主要四種電荷類型：界面陷阱電荷、氧化層固定電荷、氧化層陷阱電荷和可動(dòng)離子電荷。實(shí)際MOS二極管的C-V曲線平帶電壓：實(shí)際MOS二極管的閾值電壓：6.1.3CCD器件三相電荷耦合器件的剖面圖6.2MOSFET基本原理MOSFET的縮寫：IGFET、MISFET、MOST。1960年，第一個(gè)MOSFET首次制成，采用熱氧化硅襯底，溝道長(zhǎng)度25um，柵氧化層厚度100nm（Kahng及Atalla）。2001年，溝道長(zhǎng)度為15nm的超小型MOSFET制造出來。NMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)PMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)工作方式——線性區(qū)6.2

6、.1基本特性工作方式——飽和區(qū)過飽和推導(dǎo)基本MOSFET特性理想電流電壓特性基于如下假設(shè)1柵極結(jié)構(gòu)理想；2僅考慮漂移電流；3反型層中載流子遷移率為固定值；4溝道內(nèi)雜質(zhì)濃度為均勻分布；5反向漏電流可忽略；6溝道內(nèi)橫向電場(chǎng)>>縱向電場(chǎng)7緩變溝道近似。推導(dǎo)基本MOSFET特性簡(jiǎn)要過程：1點(diǎn)y處的每單位面積感應(yīng)電荷Qs（y）；2點(diǎn)y處反型層里的每單位面積電荷量Qn（y）；3溝道中y處的電導(dǎo)率；4溝道電導(dǎo)；5dy片段的溝道電阻、電壓降；6由源極（y=0,V=0）積分至漏極(y=L,V=VD)得ID。溝道放大圖（線性區(qū)）理想MOSFET的電流電壓方程式：線性區(qū)：截

7、止區(qū)：ID0VG

8、ainN+(P+)6.2.2MOSFET種類N溝增強(qiáng)型N溝耗盡型P溝增強(qiáng)型P溝耗盡型轉(zhuǎn)移特性輸