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1、第2章场效应晶体管第1页，共45页，编辑于2022年，星期一促进MOS晶体管发展的4大技术半导体表面的稳定化技术各种栅绝缘膜的实用化技术自对准结构的MOS工艺阈值电压的控制技术第2页，共45页，编辑于2022年，星期一2.6.1 MOSFET结构MOSFET:MOS field-effect transistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate,IGFET）金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)电压控制电流场效应晶体管分为N沟道和P沟道，每一类又分为增强型和耗尽型。第3页，共45页，编辑于2022年，星期一1 MOSFET结构示意图第4页，共45页，编辑于202
2、2年，星期一MOS器件的表征：沟道长度沟道长度沟道宽度沟道宽度wL第5页，共45页，编辑于2022年，星期一第6页，共45页，编辑于2022年，星期一第7页，共45页，编辑于2022年，星期一第8页，共45页，编辑于2022年，星期一2 MOS 结构MOSMOS是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟道是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟道.为了形成电场为了形成电场,在导电沟道区的止面覆盖了一层很薄的二在导电沟道区的止面覆盖了一层很薄的二氧化硅层氧化硅层,称为栅氧化层称为栅氧化层.栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅,形成栅电极形成栅电极.构成构成一种金属一种金属-
3、氧化物氧化物-半导体结构半导体结构,故称为故称为MOSMOS结构结构.目前栅目前栅极大多采用多晶硅极大多采用多晶硅.第9页，共45页，编辑于2022年，星期一2.6.2 MOSFET工作原理（NMOS为例）第10页，共45页，编辑于2022年，星期一NMOS工作原理VDS VGS-VT第11页，共45页，编辑于2022年，星期一第12页，共45页，编辑于2022年，星期一阈值电压：强反型层形成沟道时的栅源电压VT；(表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目)线性区(Linear region)：VDS=VGS-VT过渡区 ：截止区（Cut off）：VGS VT击穿区：PN结击穿；第13页，
4、共45页，编辑于2022年，星期一1 VGS小于等于0的情况:截止区两个背靠背的PN结,源漏间阻抗很大,电流近似为0。对应于直流伏安特性中的截止区。第14页，共45页，编辑于2022年，星期一2 沟道的形成和阈值电压:线性区（1）导电沟道的形成 图1 P型半导体第15页，共45页，编辑于2022年，星期一 (2)(2)、表面电荷减少、表面电荷减少(施加正电压施加正电压)第16页，共45页，编辑于2022年，星期一(3)、形成耗尽层（继续增大正电压）第17页，共45页，编辑于2022年，星期一(4)、形成反型层（电压超过一定值VT）第18页，共45页，编辑于2022年，星期一 表面场效应形成反型
5、层（MOS电容结构）第19页，共45页，编辑于2022年，星期一反型层是以电子为载流子的反型层是以电子为载流子的N N型薄层型薄层,就在就在N N+型源区和型源区和N N+型漏区间形成通道称为沟道。型漏区间形成通道称为沟道。V VDSDS V VDS令：K=Cox n 工艺因子 Cox:单位面积电容；n：电子迁移率 N=K(W/L)导电因子则：IDS=N(VGS-VTN)-VDS/2.VDS 线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，N与（W/L）有关。第21页，共45页，编辑于2022年，星期一（2）饱和区：VDSVGS-VT L S D VDSVDS-(VGS-VT)VGS-VTV VG
6、SGS-V-VT T不变，不变，V VDSDS增加的电压主要降在增加的电压主要降在LL上，由于上，由于LLL L，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以所以，将以V VGSGS-V-VT T取代线性区电流公式中的取代线性区电流公式中的V VDSDS得到饱和区的得到饱和区的电流电流 电压表达式：电压表达式：第22页，共45页，编辑于2022年，星期一沟道夹断沟道长度调制效应第23页，共45页，编辑于2022年，星期一MOS的电流电压特性（3）截止区：VGS-VT 0 IDS=0 IDS 输出特性曲线VDS 0线性区饱和区|VG5|VG4|VG
7、3|VG2|VG1|VGS-VT11；（5 5）击穿区）击穿区V VDSDS增大到一定程度，使晶体管漏增大到一定程度，使晶体管漏-衬底衬底PNPN结击穿。结击穿。第25页，共45页，编辑于2022年，星期一二、二、PMOSPMOS管管IVIV特性特性电流电流-电压表达式：电压表达式：线性区：线性区：I IDSDS=P P(|V(|VDSDS|-|V|-|VTpTp|-|V|-|VDSDS|/2)|V|/2)|VDSDS|饱和区：饱和区：I IDSDS=(=(P P/2)(|V/2)(|VGSGS|-|V|-|VTpTp|)|)第26页，共45页，编辑于2022年，星期一衬底偏置（背栅）效应 如
8、果如果MOSMOS管的源区和衬底电压不一致，就会产生衬底管的源区和衬底电压不一致，就会产生衬底偏置效应，会对阈值电压产生影响：偏置效应，会对阈值电压产生影响：其中：其中：g g 为衬底阈值参数或者体效应系数；为衬底阈值参数或者体效应系数；F F 为强反型层的表面势；为强反型层的表面势；V VBSBS为衬底对源区的电压；为衬底对源区的电压；VTVT0 0为为V VBSBS为为0 0时的阈值电压；时的阈值电压；第27页，共45页，编辑于2022年，星期一1.1.衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度越低，器件的阈值电压将越小越低，器件的阈值电压将越小2
9、.2.栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电压栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电压有影响。有影响。3.3.栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，单栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧化层位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧化层厚度应综合考虑厚度应综合考虑一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电压一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电压第28页，共45页，编辑于2022年，星期一MOS晶体管类别按载流子类型分：按载流子类型分：NMOS:NMOS:也称为也称为N N沟道，载流子为电子。沟道，载流子为电子。PMOS:PMOS:也称为也称为P P沟道，
10、载流子为空穴。沟道，载流子为空穴。按导通类型分：按导通类型分：增强型：增强型：耗尽型：耗尽型：四种四种MOSMOS晶体管：晶体管：N N沟增强型；沟增强型；N N沟耗尽型；沟耗尽型；P P沟增强型；沟增强型；P P沟耗尽型沟耗尽型第29页，共45页，编辑于2022年，星期一（1）N沟增强：VDSVGS=VTIDSVGSVTIDS第30页，共45页，编辑于2022年，星期一(b)N沟耗尽：VDSVGS=VTIDSVGSVTIDSVGS=0第31页，共45页，编辑于2022年，星期一（C）P沟增强第32页，共45页，编辑于2022年，星期一（d）P沟耗尽第33页，共45页，编辑于2022年，星期一
11、截止区：非饱和区(线性区和过渡区)：饱和区2.6.3 MOSFET伏-安特性第34页，共45页，编辑于2022年，星期一有效沟道长度LeffMOS晶体管的跨导为：非饱和状态第35页，共45页，编辑于2022年，星期一饱和状态：沟道电阻：特征频率：第36页，共45页，编辑于2022年，星期一1.MOS1.MOS阈值电压阈值电压对对NMOSNMOS而言：而言：V VFBFB为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材料为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响引间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响引起的电压偏移。起的电压偏移。V VS S为功函数的影响，为功函数
12、的影响，QQSSSS为氧化层固定电荷密度，为氧化层固定电荷密度，C COXOX为单位面积栅氧化层电容（为单位面积栅氧化层电容（MOSMOS电容）电容）2.6.4 MOS管的电压第37页，共45页，编辑于2022年，星期一第38页，共45页，编辑于2022年，星期一 2 阈值电压和衬底电压的关系 3阈值电压和沟道尺寸的关系 随随L L的减小而减小，随的减小而减小，随WW的增大而增大。的增大而增大。第39页，共45页，编辑于2022年，星期一MOSFETMOSFET是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向流是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向流动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。动，因此其特性和横
13、向尺寸有很强联系。L L越小，越小，f fT T和和 g gmm均越大，且集成度也越高，因此，减小尺均越大，且集成度也越高，因此，减小尺寸将有益于寸将有益于MOSMOS特性的提高。特性的提高。MOSFETMOSFET是多子器件，没有少数载流子复合和存储，因此是多子器件，没有少数载流子复合和存储，因此器件速度较高。器件速度较高。提高迁移率提高迁移率 n n也将使也将使f fT T和和g gmm提高，采用高迁移率材料做晶提高，采用高迁移率材料做晶体管是方向。体管是方向。MOSMOS晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。2.6.5 MOS晶体管的
14、特点第40页，共45页，编辑于2022年，星期一由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离,因此呈现纯电因此呈现纯电容性高输入阻抗。容性高输入阻抗。由于沟道和衬底之间构成由于沟道和衬底之间构成PNPN结结.为保证只在沟道中有电为保证只在沟道中有电流流过流流过,使用时必然使源区使用时必然使源区,漏区漏区,以及沟道区与衬底之间以及沟道区与衬底之间的的PNPN结处于反偏结处于反偏.这样在同一衬底上形成的多个这样在同一衬底上形成的多个MOSMOS管管之间具有自动隔离的效果。之间具有自动隔离的效果。目前用多晶硅取代铝作栅极材料目前用多晶硅取代铝作栅极材料.多晶硅耐高温多晶硅
15、耐高温,可形成自可形成自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。为了克服电阻增大导致的布线延迟为了克服电阻增大导致的布线延迟,又出现了用钨钼及其又出现了用钨钼及其硅化物作栅极的材料硅化物作栅极的材料,其电阻率比多晶硅低两个数量其电阻率比多晶硅低两个数量级。级。第41页，共45页，编辑于2022年，星期一2.6.6 MOS 晶体管模型和模型参数L L、W W 沟道长度和宽度沟道长度和宽度VTO VTO 零偏阈值电压零偏阈值电压KPKP跨导系数（跨导系数（u un nC Coxox)GAMMA GAMMA 体效应系数体效应系数PHIPHI费米势费米势LAMBDA L
16、AMBDA 沟道长度调制系数沟道长度调制系数R R（D D，S S）漏和源区串联电阻）漏和源区串联电阻CBCB（D D，S S）零偏）零偏B-DB-D，B-SB-S结电容结电容IS IS 衬底结饱和电流衬底结饱和电流CGSO CGSO 单位沟道宽度栅覆盖电容单位沟道宽度栅覆盖电容CGBO CGBO 单位沟道宽度栅单位沟道宽度栅-衬底覆盖电容衬底覆盖电容PBPB衬底结接触电势衬底结接触电势CJ CJ 衬底结零偏势垒电容衬底结零偏势垒电容MJ MJ 梯度因子，梯度因子，RSHRSH薄层电阻薄层电阻第42页，共45页，编辑于2022年，星期一(1)栅自对准工艺在MOS工艺水平中，在栅氧化层上先利用多晶硅制做栅极，在形成源漏区进行扩散或进行离子注入时栅极能起到掩膜的作用，自动保证了栅金属与源漏区的对准问题，此技术称为自对准工艺。(2)硅栅结构多晶硅栅还可以做互连线,有利于减小集成电路芯片面积,提高集成度。2.6.7 硅栅MOS结构和自对准技术第43页，共45页，编辑于2022年，星期一第44页，共45页，编辑于2022年，星期一MOSFET是单极器件制造简单,体积小,集成度高输入阻抗高,允许很高的扇出可以用做双向开关可以用做储存器件噪声小,功耗小,速度相对较慢第45页，共45页，编辑于2022年，星期一