1、1/121,半导体器件原理,主讲人：仇志军本部遗传楼309室 55664269Email: ,2/121,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,3/121,3.1.1 MOSFET简介,3.1 MOSFET的结构和工作原理1,Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor,4/121,3.1.1 MOSFET简介,MOSFET vs BJT,3.1 MOSFET的结
2、构和工作原理2,5/121,3.1.1 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 （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3,6
3、/121,3.1.2 MOSFET的结构,3.1 MOSFET的结构和工作原理4,7/121,3.1.3 MOSFET的基本工作原理,ID,当 VG VT 时 ID : 0 ,B,3.1 MOSFET的结构和工作原理5,8/121,3.1.4 MOSFET 的分类和符号,3.1 MOSFET的结构和工作原理6,9/121,3.1.5 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）,3.1 MOSFET的结构和工作原理7,10/121,3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性,1. 输出特性,3.1 MOSFE
4、T的结构和工作原理8,NMOS（增强型）,NMOS（耗尽型）,PMOS（增强型）,PMOS（耗尽型）,11/121,3.1.5 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9,IDS VGS（VDS为参量）,NMOS（增强型）,IDS,12/121,3.1.5 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10,NMOS（增强型）,NMOS（耗尽型）,PMOS（增强型）,PMOS（耗尽型）,IDS,IDS,IDS,IDS,13/121,第三章 MOSFET的基本特性,3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2
5、 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,14/121,3.2.1 半导体的表面状态,3.2 MOSFET的阈值电压1,VG = ?,15/121,3.2.2 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,16/121,3.2.2 阈值电压的表达式,3.2 MOSFET的阈值电压3,n 沟 MOS（NMOS）,p 沟 MOS（PMOS）,17/121,3.2.3 影响 VT 的因素
6、,3.2 MOSFET的阈值电压4,1. 功函数差 ms 的影响,(1) 金属功函数 Wm,(2) 半导体功函数 Ws,=,p 型 n 沟 MOS,n 型 p 沟 MOS,18/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压5,1. 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,(P-Si),(N-Si),19/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压5,1. 功函数差 ms 的影响,N-MOSFET,多晶硅栅 MOSFET,20/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MO
7、SFET的阈值电压6,1. 功函数差 ms 的影响,P-MOSFET,多晶硅栅 MOSFET,21/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压7,2. 衬底杂质浓度 NB 的影响,NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V,22/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压8,3. 界面固定电荷 QSS 的影响,n 沟 MOS（NMOS）,p 沟 MOS（PMOS）,ND/cm-3,NMOS,PMOS,23/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压9,4. 离子注入调整 VT,P-Si,Rp 0,q
8、|VBS|,q |VBS|,q(2VB+|VBS|),28/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压14,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),q|VBS|,VGS = VT(VBS) , VBS 0,VGS = VT , VBS = 0,(2) MOSFET 的 VT,29/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压15,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(2) MOSFET 的 VT,30/121,3.2.3 影响 VT 的因素,3.2 MOSFET的阈值电压16,6. 衬底偏置效应 (衬
9、偏效应，Body effect),(3) VT(VBS),VBS = 0 时,VBS 0 时,31/121,3.2.3 影响 VT 的因素,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(3) VT(VBS),3.2 MOSFET的阈值电压17, 衬偏系数,32/121,3.2.3 影响 VT 的因素,6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect),(3) VT(VBS),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
10、.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性,34/121,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,3.3 MOSFET的直流特性1,35/121,qV(y),VGS = VFB, VDS = 0,VGS = VT , VDS = 0,VGS = VT , VDS 0,qVB,EF,qVB,qVB,EF,EF,qV(y),EiS,EiB,EiS,EiB,EiB,EiS,VGS = VFB, VDS = 0,VGS = 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,qVB
11、,qVB,36/121,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,3.3 MOSFET的直流特性3,37/121,3.3 MOSFET的直流特性4,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,38/121,3.3 MOSFET的直流特性5,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,MOSFET 静电势图,39/121,3.3 MOSFET的直流特性5,3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图,MOSFET 静电势图,40/121,3.3 MOSFET的直流特性6,3.3.2 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
12、 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）,41/121,3.3 MOSFET的直流特性7,3.3.2 IDS VDS 的关系,MOSFET 坐标系,x,y,z,42/121,3.3 MOSFET的直流特性8,3.3.2 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,43/121,3.3 MOSFET的直流特性9,3.3.2 IDS VDS 的关系,2
13、. 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,y,0,L,V(0) = 0,V(L) = VDS,B,2VB+V(y),VDS 较小时,负电荷,44/121,3.3 MOSFET的直流特性10,3.3.2 IDS VDS 的关系,2. 可调电阻区 (线性区),VDS 较小时, ,45/121,3.3 MOSFET的直流特性11,3.3.2 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
14、,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 = 0,Leff,L,y,长沟道器件： L/L 1,长沟道,短沟道,短沟道器件： L/L 1,IDS 不饱和，VDS IDS , 沟道长度调制效应,ro 从 变为有限大,48/121,3.3 MOSFET的直流特性14,3.3.3 MOSFET的亚阈值特性,1. 亚阈值现象,49/121,3.3 MOSFET的直流特性15,3.3.3 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,
15、载流子浓度低,J漂移 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,61/121,3.3 MOSFET的直流特性26,3.3.4 MOSFET 直流参数,3. 低频小信号参数,(3) 等效电路,vGS,+,+,iDS,G,S,S,D,gmvGS,ro = gD 1,vDS, (VGS VT) 线性区,0 饱和区,62/121,3.3 MOSFET的直流特性27,3.3.5 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 2
16、50 cm2/Vs,s bulk/2,n/p=24,63/121,3.3 MOSFET的直流特性28,3.3.5 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,64/121,3.3 MOSFET的直流特性29,3.3.5 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,65/121,3.3 MOSFET的直流特性3
17、0,3.3.5 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 Esat,Ey Esat,在 Ey = Esat 处 v(Ey) 连续 ,eff(Ex),v 不饱和区,v 饱和区,66/121,3.3 MOSFET的直流特性31,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(3) 对 gm 的影响,gm =,线性区,饱和区,1o VGS 影响,gms,VGS Ex eff ,67/121,3.3 MOSFET的直流特性32,3.3.5 MOSFET 的二级效应,1. 非常数表面迁移率效应,(3)
18、 对 gm 的影响,2o VDS 影响,v(Ey) =,Ey EsatL 时，,当 gm ,“饱和”区,69/121,3.3 MOSFET的直流特性34,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model),GCA 假设： Ey 只影响载流子沿沟道方向的输运，而不影响沟道中体电荷数量，即假设沟道耗尽层厚度不变。表面势 Vs 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(
19、y),70/121,3.3 MOSFET的直流特性35,3.3.5 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 L,V(y) = 0 VDS,Vs (y) = 2VB 2VB + VDS,重新计算 Qn(y)：,Vs(y),dmax (y) =,71/121,3.3 MOSFET的直流特性36,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效应 (Bulk-Charge Model), ,无统一的 VT,72/121,3.3 MOSFET的直流特性37,3.3.5 MOSFET 的二级效应,2. 体电荷变化效
20、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，,VT,73/121,3.3 MOSFET的直流特性38,3.3.5 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 VDSsat,VDSsat,VDSsat,当 Qn 2VB ， NA 很小时,5o 衬偏效应（VBS 0）,
21、75/121,3.3 MOSFET的直流特性40,3.3.5 MOSFET 的二级效应,3. 非零漏电导,(1) 沟道长度调制效应,Leff,L,y,76/121,3.3 MOSFET的直流特性41,3.3.5 MOSFET 的二级效应,3. 非零漏电导,近似地,沟道长度调制因子 0.1 0.01 V1,斜率 =,77/121,3.3 MOSFET的直流特性42,3.3.5 MOSFET 的二级效应,3. 非零漏电导,(2) 漏电场静电反馈效应,VDS ED Qn IDS IDS 不饱和,ED,78/121,3.3 MOSFET的直流特性43,3.3.5 MOSFET 的二级效应,4. 源漏串
22、联电阻对 gD 和 gm 的影响,(1) 对 gD 的影响,VGS,G,S,RS,RD,D,S,D,vGS,+,+,iDS,G,S,S,D,gmivGS,ro = gDi 1,vDS,RS,RD,79/121,3.3 MOSFET的直流特性44,3.3.5 MOSFET 的二级效应,4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响,线性区,饱和区,(2) 对 gm 的影响,dVDS = 0,?,80/121,3.3 MOSFET的直流特性45,3.3.5 MOSFET 的二级效应,4. 源漏串联电阻对 gD 和 gm 的影响,=,线性区,饱和区,当 RS gmi 1 时， gm RS1（与器件本征
23、参数无关）,81/121,3.3 MOSFET的直流特性46,3.3.5 MOSFET 的二级效应,5. 最大 gm / Iout ( gm的极限),饱和区,当 VGS VT 0 时，gm / IDS ,同时当 tox 0 时， ， gm ,“高低结” 势垒高度,82/121,3.3 MOSFET的直流特性47,3.3.5 MOSFET 的二级效应,6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL),(1) 条件,亚阈值区 ( VGS VT ),大 VDS（强漏电场）,n+,VGS,VDS,+,+,+,+,+,+,83/121,3.3 MOSFET的直流特性48,3.3.
24、5 MOSFET 的二级效应,6. Gate-Induced Drain Leakage (GIDL),(2) 机理,深耗尽状态,类似于 “p+n+” 结,“p+”,n+,“p+”区价带中的电子隧穿至 n+区导带,电子流向漏极 (n+),空穴（横向）流向衬底（B极）, IDB IDS （D S）,隧穿方式：, Band-to-band tunneling, Trap-assisted tunneling, Thermal-emission + tunneling,84/121,3.3 MOSFET的直流特性49,3.3.5 MOSFET 的二级效应,6. Gate-Induced Drain
25、Leakage (GIDL),(3) 使 GIDL 增大的因素,1o Ge preamorphization bulk midgap traps,2o Hot carrier injection (HCI) interface traps,3o Fowler-Nordheim tunneling,(4) 抑制 GIDL 的方法,1o tox Eox Es,2o 近表面区 Nt,3o ND(n+) 耗尽区厚度 tunneling 区域 ,4o LDD 结构 E漏 ,85/121,3.3 MOSFET的直流特性49,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,1. 源漏击穿,2. 栅击穿,漏-衬底pn结
26、雪崩击穿,沟道雪崩击穿,漏源势垒穿通,(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS ),NA BVDS ,86/121,3.3 MOSFET的直流特性50,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,(1) 漏-衬底 pn 结雪崩击穿 ( BVDS ),87/121,3.3 MOSFET的直流特性50,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,(2) 沟道雪崩击穿,雪崩注入（Walk-out现象）,VDS Ey 当 Ey Ec 时，沟道击穿,电子：沟道 D 沟道 SiO2空穴：沟道 B,雪崩击穿后500 oC退火后恢复,电子注入几率,6 nm,4.5 nm,空穴注入几率, 2.8105, 4.610
27、8,e.g. 5105 V/cm,1o 电子注入比空穴注入显著2o 载流子注入与栅电压有关,问题：为什么空穴流向衬底（B 极）？,88/121,3.3 MOSFET的直流特性51,3.3.6 击穿特性,1. 源漏击穿,(3) 漏源势垒穿通,扩散势 0.7 V,短沟道，低 NA MOSFET 容易 punch-through,89/121,3.3 MOSFET的直流特性52,3.3.6 击穿特性,2. 栅击穿,SiO2 击穿电场 Ec = (510)106 V/cm,Eg. tox = 100200 nm BVGS = 100200 V,击穿时，J = 10610 A/cm2 T 4000 K,
28、Eg. Cox = 1 pF，tox = 100 nm，Q = (510)1011 C,栅击穿！,90/121,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,91/121,3.4 MOSFET的频率特性1,3.4.1 交流小信号等效电路,1. MOSFET 的电容,92/121,3.4 MOSFET的频率特性2,3.4.1 交流小信号等效电路,1. MOSFET 的电容,低频（直流）时,IGS 0,IDS (VGS, VD
29、S),高频时,93/121,3.4 MOSFET的频率特性3,3.4.1 交流小信号等效电路,2. 计算分布电容 CGS 和 CGD,常数，只与 VGB 有关,线性区,94/121,3.4 MOSFET的频率特性4,3.4.1 交流小信号等效电路,2. 计算分布电容 CGS 和 CGD,（线性区）,（线性区）,（饱和区：VGD = VT）,95/121,3.4 MOSFET的频率特性5,3.4.1 交流小信号等效电路,2. 计算分布电容 CGS 和 CGD,线性区,VGS VGD,VGS VGD,饱和区： VGD = VT,单位： F,96/121,3.4 MOSFET的频率特性6,3.4.1
30、 交流小信号等效电路,3. 等效电路,对 CGS 充电时，等效沟道串联电阻,97/121,3.4 MOSFET的频率特性7,3.4.1 交流小信号等效电路,3. 等效电路,实际 MOSFET 高频等效电路,S,98/121,3.4 MOSFET的频率特性8,3.4.2 高频特性,1. 跨导截止频率,饱和区,99/121,3.4 MOSFET的频率特性9,3.4.2 高频特性,2. 截止频率 (最高振荡频率) fT,gmvGS,+,G,S,D,CGS,gD1,S,+,RGS,CGD = 0（饱和区）,vGS,vGS, iGS ,定义 时,100/121,3.4 MOSFET的频率特性10,3.4
31、.2 高频特性,2. 截止频率 (最高振荡频率) fT,饱和区,3. 沟道渡越时间 ,假设沟道中为均匀电场,问题：考虑实际沟道为非均匀电场，则结果如何 ？,101/121,3.4 MOSFET的频率特性11,3.4.2 高频特性,4.提高 fT 的途径,1o (100) n 沟,2o L ,3o CGSO CGDO ,考虑寄生电容时，输入电容,反馈电容,不考虑反馈电容 Cf 时，,考虑反馈电容 Cf 时，Cf 两端电压,Cf 折合到输入端 ,102/121,3.4 MOSFET的频率特性12,3.4.2 高频特性,4.提高 fT 的途径,饱和区，CGD = 0， GV 很大, 降低寄生电容，减
32、小 Overlap,103/121,3.4 MOSFET的频率特性13,3.4.2 高频特性,4.提高 fT 的途径,降低寄生电容的结构,104/121,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,105/121,3.5 MOSFET的开关特性1,3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器,1. MOS 倒相器的开关作用,+VDD,vDS(t),vGS(t),+,RD,C,+,v (t),VT,vGS (t),10%,90%
33、,0,ton,toff,t,vDS (t),IDS,VDS,A,B,电容 C 的来源：, 输出信号线与衬底电容；, 下级 MOS 管的输入电容., 漏结电容；,Von,Voff,0,VDD,负载线,D,S,G,106/121,3.5 MOSFET的开关特性2,3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器,2. MOS 倒相器的开关时间,(1) ton,t : 0 ton,工作点 : B A,充放电过程 : 电容 C 通过沟道电阻 R 放电,R(t) : ,估算 ton :,则,C gms ton ,107/121,3.5 MOSFET的开关特性3,3.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器,2. MOS
34、 倒相器的开关时间,(2) toff,t : 0 toff,工作点 : A B,充放电过程 : VDD 通过 RD 对电容 C 充电,估算 toff :,C RD toff ,受倒相器的逻辑摆幅限制,108/121,3.5 MOSFET的开关特性4,负载（M2）：有源负载,当 时，负载管导通，且处于饱和区。,导通过程：与电阻型负载相同（ton）。,关断过程：IDS 非线性，比电阻型负载慢。,负载管（M2）需考虑衬偏效应,VDS,3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）,D,S,S,D,G,G,109/121,3.5 MOSFET的开关特性5,3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）,导通态电压 Von 、 电流 Ion,导通时（A）：M1 线性区 M2 饱和区,
