半导体器件原理

1. 半导体器件原理 主讲人：仇志军 本部物理楼435室 55664269 Email: zjqiu@fudan.edu.cn 助教：肖凡杰fanjiexiao@fudan.edu.cn 13482499503

2. 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. 3.1 MOSFET的结构和工作原理1 G S D 3.1.1 MOSFET简介 Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor

4. 3.1 MOSFET的结构和工作原理2 3.1.1 MOSFET简介 MOSFET vs BJT

5. 3.1 MOSFET的结构和工作原理3 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）

6. 3.1 MOSFET的结构和工作原理4 3.1.2 MOSFET的结构

7. 3.1 MOSFET的结构和工作原理5 3.1.3 MOSFET的基本工作原理 当 VG > VT时 ID : 0   ID B

8. 3.1 MOSFET的结构和工作原理6 D D D D G G G G B B B B S S S S 3.1.4 MOSFET 的分类和符号

9. 3.1 MOSFET的结构和工作原理7 D G 输出 输入 S S 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 1. 输出特性 饱和区 击穿区 线性区 IDS ~ VDS（VGS为参量） NMOS（增强型）

10. 3.1 MOSFET的结构和工作原理8 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 1. 输出特性 NMOS（增强型） NMOS（耗尽型） PMOS（增强型） PMOS（耗尽型）

11. 3.1 MOSFET的结构和工作原理9 D IDS G 输出 输入 S S 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 2. 转移特性 IDS ~ VGS（VDS为参量） NMOS（增强型）

12. 3.1 MOSFET的结构和工作原理10 IDS IDS IDS IDS 3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性 2. 转移特性 NMOS（增强型） NMOS（耗尽型） PMOS（增强型） PMOS（耗尽型）

13. 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

14. 3.2 MOSFET的阈值电压1 3.2.1 半导体的表面状态 VG = ?

15. 3.2 MOSFET的阈值电压2 3.2.2 阈值电压的表达式 不考虑 msQssQox时 考虑 msQssQox时 VFB 0 其中 功函数差 接触电势差

16. 3.2 MOSFET的阈值电压3 3.2.2 阈值电压的表达式 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS）

17. 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 (2) 半导体功函数 Ws p 型 n 沟 MOS = n 型 p 沟 MOS

18. 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 自对准多晶硅栅工艺 (3) Al栅工艺 / 硅栅工艺 Self-aligned (N-Si) (P-Si)

19. 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 N-MOSFET

20. 3.2 MOSFET的阈值电压6 3.2.3 影响 VT 的因素 1. 功函数差 ms的影响 多晶硅栅 MOSFET P-MOSFET

21. 3.2 MOSFET的阈值电压7 VB /V VTn NMOS VT / V 3.2.3 影响 VT 的因素 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. 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） ND/cm-3 NMOS PMOS

23. 3.2 MOSFET的阈值电压9 Rp << dmax 增强型 耗尽型 3.2.3 影响 VT 的因素 4. 离子注入调整 VT P-Si

24. 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 2o沟道阻断注入 (Channel-stop implant)

25. 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 Boron penetration in PMOSFET

26. 3.2 MOSFET的阈值电压12 +VDD T2 VSB T2 VBS 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 VSB T1

27. 3.2 MOSFET的阈值电压13 0 VGS n+ n+ p-Si |VBS| VGS = VFB, VBS = 0 VGS = VFB, VBS > 0 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 q(2VB+|VBS|) EC EC q |VBS| EC EC EV EV EV EV EC EC q |VBS| q(2VB+ |VBS|) 2qVB EC EC EV EV EV EV VGS = VT(VBS), VBS > 0 VGS = VT, VBS = 0

28. 3.2 MOSFET的阈值电压14 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. 3.2 MOSFET的阈值电压15 q|VBS| 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 VGS = VT , VBS = 0 VGS = VT(VBS) , VBS > 0

30. 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

31. 3.2 MOSFET的阈值电压17 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)  衬偏系数

32. 3.2 MOSFET的阈值电压18 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) 衬偏效应下的转移特性

33. 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

34. 3.3 MOSFET的直流特性1 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图

35. 3.3 MOSFET的直流特性2 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图 正面 侧面 qV(y) EiB qVB EF EiS VGS = VFB, VDS = 0 EiB qVB EF qVB EiS VGS = VT, VDS = 0 VGS = VFB, VDS = 0 立体图 qVB EiB EF qV(y) EiS qVB VGS = VT, VDS > 0 VGS = VT, VDS = 0

36. 3.3 MOSFET的直流特性3 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图

37. 3.3 MOSFET的直流特性4 3.3.1 MOSFET 非平衡时的能带图

38. 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. 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. 3.3 MOSFET的直流特性6 G y S D n+ n+ p-Si x 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. 3.3 MOSFET的直流特性7 3.3.2 IDS ~ VDS的关系 MOSFET 坐标系 y z x

42. 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. 3.3 MOSFET的直流特性9 3.3.2 IDS ~ VDS的关系 VDS较小时 2. 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 负电荷 V(0) = 0 V(L) = VDS y 0 L B 2VB+V(y)

44. 3.3 MOSFET的直流特性10 3.3.2 IDS ~ VDS的关系 VDS较小时 2. 可调电阻区 (线性区)  

45. 3.3 MOSFET的直流特性11 IDS VDS 斜率  沟道漂移迁移率 3.3.2 IDS ~ VDS的关系 VDS较小时 2. 可调电阻区 (线性区)  可调电阻区 （线性区） 跨导参数 当 VDS << VGS  VT时  VDS（线性） gD 其作用类似于一个可调电阻 受 VGS控制

46. 3.3 MOSFET的直流特性12 3.3.2 IDS ~ VDS的关系 VDS VGS  VT 3. 饱和区 (1) VDS= VGS  VT  VDSsat Qn(L) = 0 反型电子消失 沟道被夹断 定义 这时 n W/L  问题：沟道内电势、电场分布 V(y)、E(y)？

47. 3.3 MOSFET的直流特性13 3.3.2 IDS ~ VDS的关系 VDS VGS  VT 3. 饱和区 (2) VDS> VGS  VT  VDS sat y Leff L 夹断点左移，有效沟道缩短 夹断区内 Ey > Ex，GCA不成立 夹断点 Eox(Leff)=0 ，Qn = 0 漏端 Eox(L) 与源端 Eox(0)方向相反 短沟道 长沟道 长沟道器件： L/L << 1 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. 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. 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 载流子浓度低 J漂移< J扩散 电流连续 Iy = 常数 n (0) = ? n (L) = ? V(0) = 0 V(L) = VDS

50. 3.3 MOSFET的直流特性16 n(x,y) kT dch x 3.3.3 MOSFET的亚阈值特性 当 VDS较小时（ VDS << VGS） 2. 亚阈值区的扩散电流 则半导体表面势 Vs常数 载流子浓度分布 （长沟道假设） 而 则从 0  VDS 弱反型时沟道厚度 dch 反型电子在 x方向的分布 Ei 弱反型时沟道厚度