半导体器件物理与工艺 第6章.ppt

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1、第6章MOSFET及相关器件6.1MOS二极管6.2MOSFET基本原理6.3MOSFET按比例缩小6.4CMOS与双极型CMOS6.5绝缘层上MOSFET6.6MOS存储器结构相关主题MOS二极管的VT与反型条件MOSFET基本特性按比例缩小理论与短沟道效应的关系低功耗CMOS逻辑MOS存储器结构基本FET结构6.1MOS二极管MOS二极管是MOSFET器件的枢纽；在IC中，亦作为一储存电容器；CCD器件的基本组成部分。6.1.1理想MOS二极管理想P型半导体MOS二极管的能带图：功函数（金属的Φm和半导体的Φs）电子亲和力理想MOS二极管定义：零偏

2、压时，功函数差Φms为零；任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，极性相反；直流偏压下，无载流子通过氧化层。MOS二极管中三个分离系统的能带图半导体表面三种状态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

3、于空穴浓度时——反型现象。三种状态由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布：表面电势ψs：ψs<0空穴积累；ψs=0平带情况；ψB>ψs>0空穴耗尽；ψs=ψB禁带中心，ns=np=ni；ψs>ψB反型（ψs>2ψB时，强反型）；强反型时，表面耗尽区的宽度达到最大值：Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm理想MOS二极管的C-V曲线V=Vo+ψsC=CoCj/(Co+Cj)强反型刚发生时的金属平行板电压——阈值电压一旦当强反型发生时，总电容保持在最小值Cmin。理想MOS二极管的C-V曲线理想情况下的阈值电压：强反型发生时，Cmin

4、：6.1.2实际MOS二极管金属-SiO2-Si为广泛研究，但其功函数差一般不为零，且在氧化层内部或SiO2-Si界面处存在的不同电荷，将以各种方式影响理想MOS的特性。一、功函数差铝：qΦm=4.1ev；高掺杂多晶硅：n+与p+多晶硅的功函数分别为4.05ev和5.05ev；随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，Φms发生很大变化；为达到理想平带状态，需外加一相当于功函数的电压，此电压成为平带电压（VFB）。金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性的影响曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V曲线二、界面陷阱

5、与氧化层电荷主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。实际MOS二极管的C-V曲线平带电压：实际MOS二极管的阈值电压：6.1.3CCD器件三相电荷耦合器件的剖面图6.2MOSFET基本原理MOSFET的缩写：IGFET、MISFET、MOST。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。NMOS晶体管基本结构与电路符号PMOS晶体管基本结构与电路符号工作方式——线性区6.2

6、.1基本特性工作方式——饱和区过饱和推导基本MOSFET特性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反向漏电流可忽略；6沟道内横向电场>>纵向电场7缓变沟道近似。推导基本MOSFET特性简要过程：1点y处的每单位面积感应电荷Qs（y）；2点y处反型层里的每单位面积电荷量Qn（y）；3沟道中y处的电导率；4沟道电导；5dy片段的沟道电阻、电压降；6由源极（y=0,V=0）积分至漏极(y=L,V=VD)得ID。沟道放大图（线性区）理想MOSFET的电流电压方程式：线性区：截

7、止区：ID0VG

8、ainN+(P+)6.2.2MOSFET种类N沟增强型N沟耗尽型P沟增强型P沟耗尽型转移特性输