半导体器件物理课件 2016.ppt

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1、1半导体器件物理2MOS场效应晶体管34567MOSFET基本原理1960年，第一个MOSFET首次制成，采用热氧化硅衬底，沟道长度25um，栅氧化层厚度100nm（Kahng及Atalla）。2001年，沟道长度为15nm的超小型MOSFET制造出来。89--------------------------SGD--------------------------xyzLWN+N+P衬底tOXVDVG10MOSFET的核心是金属－氧化物－半导体电容，其中的金属可以是铝或者一些其它的金属，但更通常的情况是在氧化物上面淀积高电导率的多晶硅；然而，金属一

2、词通常被延用下来。1112随金属与半导体所加的电压VG而变化，半导体表面出现三种状态：基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。以P型为例，当一负电压施加于金属上，在氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，——积累现象。外加一小量正电压，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使多数载流子（空穴）形成耗尽——耗尽现象。外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重，使表面的Ei越过EF,当电子浓度远大于空穴浓度时——反型现象。1314151617理想电流电压特性基于如下假设1栅极结构理想；2仅考虑漂移电流；3反型层中载流子迁移率为固定值；4沟道内杂质浓度为均匀分布；5反向漏

3、电流可忽略；6沟道内横向电场>>纵向电场7缓变沟道近似。181920根据上述假设，漏端表面空间电荷区的一维泊松方程式中：21反型层内少子电荷其中函数F由下式定义从表面到体内积分漏端沿x方向的表面泊松方程为了得到解析解，可采用金属-绝缘体-半导体的处理方法得出；23总的半导体表面电荷由高斯定律得到：强反型以后单位面积的反型层电荷Qn由下式耗尽层电荷反型层电荷Qn即24薄层电荷模型根据高斯定律，电荷薄层两边的边界条件由公式其中得到电流传到的沟道电荷的表示式25电流-电压特性262728在考虑了功函数以及固定氧化层电荷的影响下，利用VG-VFB替代VG，得

4、到y点的沟道电流：恒定迁移率301，在线性区，当VD很小时，沟道电流可简化为：VT是阈值电压线性区、非线性区以及饱和区的电流方程313,非线性电流2，在饱和区3233343536迁移率变化在理想I－V关系的推导中，我们假设了迁移率是常数。然而，这个假设必须由于两个原因而更改。第一个要考虑的因素是迁移率随着栅压的改变。第二个原因是随着载流子接近饱和速度这个极限有效载流子迁移率将减小。如图（a）中的n沟道器件所示，反型层电荷是由于垂直电场而产生的。正栅压在反型层电子上产生一股力量将之推向半导体表面。随着电子穿过沟道移向漏端，它们将被表面吸引，但是随后将由

5、于本地库仑力而被排斥。如图(b)所示，这个效应称为表面散射。表面散射效应降低了迁移率。如果在氧化层－半导体界面附近存在正的固定氧化层电荷，那么由于附加库仑的相互作用，迁移率将进一步降低。迁移率变化速度饱和在长沟MOSFET的分析中，我们假设迁移率是常数，这意味着随着电场的增大漂移速度将无限地增加。在这种理想情况下，载流子速度会一直增加，直到达到理想的电流。然而，我们可以看到在增大电场时载流子速度会出现饱和。速度饱和在短沟道器件中尤其重要，因为相应的水平电场通常是很大的。下图所示为漏电流与漏源电压的函数关系在迁移率为常数时和在迁移率依赖于电场时的对比情

6、况。从依赖于电场的迁移率曲线中可以看到，ID(sat)的值变小了，而且它近似地线形依赖于VGS。电子速度为一常量，则反型层电荷也是一常量40速度饱和模型4142弹道输运弹道输运效应会产生一些高速器件。弹道输运会发生在亚微米（L<1μm）器件中。随着MOSFET技术的进一步发展，沟道长度将接近0.1μm，弹道输运现象将会变得更加重要。44454647484950515253545556阈值电压MOSFET表面呈现强反型形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示VOX：栅电压VG降落在SiO2绝缘层上的部分VS：栅电压VG降落在半导体表面的部分VFB：平带电压

7、阈值电压强反型时的电荷分布QG：金属栅上的面电荷密度QOX：栅绝缘层中的面电荷密度Qn：反型层中电子电荷面密度QB：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB阈值电压理想状态MOSFET的阈值电压1.理想状态：Qox＝0，Vms＝02.沟道形成时的临界状态：Qn＝04.出现强反型后：xdxdmax阈值电压理想假设条件下不考虑刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内Qn<

8、P型半导体QnQGQOXQB阈值电压理想状态MOSFET的阈值电压栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB