MOSFET 的阈电压.ppt

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1、MOSFET的阈电压定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压（或开启电压），记为VT。定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了强反型。在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压产生的横向电场所决定，而与漏极电压产生的纵向电场无关。MOS结构的阈电压P型衬底MOS结构的阈电压。上图中，1、理想MOS结构（金属与半导体间的功函数差MS=0，栅氧化层中的电荷面密度QOX=0）当VG=0时的能带图称为P型衬底的费米势。上图中，S称为表面势，即从硅表面处

2、到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以q。2、实际MOS结构（MS<0，QOX>0）当VG=0时的能带图3、实际MOS结构当VG=VFB时的能带图当时，可以使能带恢复为平带状态，这时S=0，硅表面呈电中性。VFB称为平带电压。COX代表单位面积的栅氧化层电容，，TOX代表栅氧化层厚度。4、实际MOS结构当VG=VT时的能带图要使表面发生强反型，应使表面处的EF-EiS=qFP，这时能带总的弯曲量是2qFP，表面势为S=S,inv=2FP。外加栅电压超过VFB的部分（VG-VFB）称为有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的VOX与降在

3、硅表面附近的表面电势S，即VG–VFB=VOX+S表面势S使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是2qFP，表面势为2FP，于是可得VT–VFB=VOX+2FPVT=VFB+VOX+2FP上式中，QM和QS分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而QS又是耗尽层电荷QA与反型层电荷Qn之和。-QAQM-QnCOX-QSP可得MOS结构的阈电压为再将和上式代入VT=VFB+VOX+2FP中，关于QA的进一步推导在以后进行。作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略Qn。QA是S的函数，在开始强反型时，QA(S)=QA(2FP)，

4、故得1、阈电压一般表达式的导出MOSFET与MOS结构的不同之处是：a)栅与衬底之间的外加电压由VG变为(VG-VB)，因此有效栅电压由(VG-VFB)变为(VG-VB-VFB)。b)有反向电压(VS-VB)加在源、漏及反型层的PN结上，使强反型开始时的表面势S,inv由2FP变为(2FP+VS-VB)。5.2.2MOSFET的阈电压以下推导QA的表达式。对于均匀掺杂的衬底，式中，，称为体因子。因此MOSFET的阈电压一般表达式为于是可得N沟道MOSFET的阈电压为注意上式中，通常VS>0，VB<0。当VS=0，VB=0时，这与前面得到的MOS结构的阈电压

5、表达式相同。称为N型衬底的费米势。同理，P沟道MOSFET当VS=0，VB=0时的阈电压为式中，FN与FP可以统一写为FB，代表衬底费米势。2、影响阈电压的因素当VS=0，VB=0时，N沟道与P沟道MOSFET的阈电压可统一写为a)栅氧化层厚度TOX一般来说，当TOX减薄时，

6、VT

7、是减小的。早期MOSFET的TOX的典型值约为150nm，目前高性能MOSFET的TOX可达10nm以下。1015cm-3时，约为0.3V。b)衬底费米势FBFB与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为MS与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于Al~Si系

8、统，c)功函数差MS-0.6V～-1.0V(N沟)-0.6V～-0.2V(P沟)（见图5-15）当N=1015cm-3时，-0.9V(N沟)-0.3V(P沟)MS=MS=d)耗尽区电离杂质电荷面密度QAD由于FB与掺杂浓度N的关系不大，故可近似地得到e)栅氧化层中的电荷面密度QOX调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度N（例如离子注入）和改变栅氧化层厚度TOX来实现。~QOX与制造工艺及晶向有关。MOSFET一般采用（100）晶面，并在工艺中注意尽量减小QOX的引入。在一般工艺条件下，当TOX=150nm时，对于N沟道MOSFET，3、衬底偏置效应（体效应）衬

9、底偏置效应：VT随VBS的变化而变化。当VS=0时，可将源极作为电位参考点，这时VG=VGS、VD=VDS、VB=VBS。对于P沟道MOSFET，可见，当

10、VBS

11、增大时，N沟道MOSFET的阈电压向正方向变化，而P沟道MOSFET的阈电压向负方向变化。由于，所以TOX越厚、N越高，衬底偏置效应就越严重。4、离子注入对阈电压的调整设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度R小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度xdmax，以NI代表离子注入所新增加的杂质浓度，NA=NA+NI；以QI=-qNIR代表离子注入后在耗尽区新增加的电离杂质电荷面密度，则经离子注入调整后的阈电

12、压为阈电压的调整量为