最新MOS器件阈值电压解析课件ppt.ppt

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1、MOS器件阈值电压解析MOSFET阈值电压的定义在正常情况下，栅电压产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的产生。使沟道区源端强反型时的栅源电压称为MOS管的阈值电压。NMOS的阈值电压用VTn表示，PMOS的阈值电压用VTp表示。阈值电压：ThresholdvoltageMOS电容的阈值电压（1）P-Si耗尽层的厚度耗尽层单位面间的电荷反型层的厚度反型层单位面积的电荷半导体表面电荷栅电荷MOSFET与MOS电容的不同（3）VGS>VTn+n+VDS>0p-substrateChannelSBIDSVBSNMOS反型层和耗尽区如何得到在一定的近似条件下求解二维泊松方

2、程：MOSFET电压－电荷关系GradualChannelApproximation*假定y方向（沿沟道方向）电场EY的变化远小于相应的X方向（垂直于沟道方向）电场EX的变化。其数学表示式为缓变沟道近似（GCA）对于长道器件，GCA近似除在漏端附近不成立外，在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。GCA近似使泊松方程变成一维的，这意味着MOS电容的电荷方程，做一些简单修正，就可适用于MOSFET以NMOS为例。当栅压VGS>VTN,在半导体表面形成反型层。这时，在源漏端施加电压，形成源漏电流,沿沟道方向（Y方向）产生电压降*。其结果使N型沟道的能带连同其费米能级沿Y方

3、向发生倾斜*。原因：N沟道与P型衬底之间电位不同，即N沟道与P型衬底间的PN结处于反向偏置，沟道与衬底之间不再有统一的费米费米能级设沟道任意点相对于衬底的电位为VCB(y)，那么沟道区的电子准费米能级EFn比衬底空穴的准费米能级EFP低qVCB(y)。MOSFET的表面势（1）MOSFET的表面势（2）n+n+NMOSFET的能带图*MOSFET的三维能带图VB=VS=VD=0VG>0VB=VS=0VD>0VB=Vs=VD=VG=0在GCA下，强反型时，当VDS较小时，MOSFET的表面势近似为:MOSFET的表面势（3）定义VY为沟道Y点相对于源端的电势：MOS

4、FET的表面势（4）强反型时的栅体电压为使沟道任意一点强反型时的栅源电压为阈值电压定义为源端反型时的栅源电压：强反型后，MOST的反型层电荷与栅压的关系为：MOSFET阈值电压表达式NMOSPMOS影响阈值电压的因素金半接触电势差，氧化层中正电荷面密度，单位:库仑/cm2半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关）衬底掺杂浓度单位面积栅氧化层电容衬底偏压影响阈值电压的因素：Vms金半接触电势差VmsAl栅，Al的功函数4.1eV，Si的亲和能4.15eVNMOS:PMOS:使P型半导体表面耗尽或反型使N型半导体表面积累Al栅方块电阻：几个mΩ/□Al栅工艺的缺陷影响阈值电压

5、的因素：Vms多晶硅栅*n+poly-si,掺杂浓度NDP，方块电阻～15欧姆NMOS:使表面耗尽或反型PMOS:使表面多子积累p+poly-si,掺杂浓度NAP，方块电阻～25欧姆NMOS:使表面多子积累PMOS:使表面耗尽或反型近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同SiO2中的正电荷面密度Q0*固定正电荷可动正电荷陷阱电荷界面陷阱电荷这些电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因,其大小与晶向有关，与SiO2的生长工艺有关。通常要求：影响阈值电压的因素:Q0影响阈值电压的因素：NB衬底掺杂浓度NB通过QB来影响VTNB越大，越不容易反型影响阈值电压的因素：Tox

6、栅氧化层厚度tox：tox增加，导致VT增加。这种方法广泛应用于MOSFET之间的隔离。提高场区寄生MOS管的阈值电压：场注入＋厚的场氧化层栅氧场氧P-Si衬底互连线寄生沟道有源区、场区影响阈值电压的因素：体效应衬底偏压的影响－体效应（BodyEffect）MOSFET通常源和衬底短接，但是有两种情况会造成MOSFET的衬底相对与源端有一个偏置电压VBS（NMOS,VBS<0;PMOS,VBS>0）在MOS电路中，有些MOS管的源极接输出端，其电位是变化的；有意在体端加偏压使源与衬底之间的PN处于反偏，以调制MOS管的阈值电压；体效应：也称为衬偏效应、背栅效应影响

7、阈值电压的因素：体效应考虑到VSB的影响，通常把VT写成：Bodyfactor影响阈值电压的因素：体效应衬底偏压使耗尽层展宽，导致NMOS的VTn增加（向正方向移动）PMOS使得VTp更负（向负方向移动）除非应用，否则应尽量避免体效应（使体效应因子最小）Example：SubstratebiaseffectonVT(body-effect)阈值电压的设计（1）阈值电压是MOSFET最重要的参数之一，要求精确的控制。在诸因素中，影响最大的是栅氧化层的厚度和衬底掺杂浓度，但这两个参量在很大的程度上会由其它设计约束事先确定*。阈值电压的调制方法：用离子注入工艺，在半导体

8、表面处精确