kT N B ln q ni
NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V
VTn NMOS
VT / V
3.2 MOSFET的阈值电压8
3.2.3 影响 VT 的因素
3. 界面固定电荷 QSS 的影响 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS）
22/121
3.1 MOSFET的结构和工作原理4
3.1.2 MOSFET的结构
6/121
3.1 MOSFET的结构和工作原理5
3.1.3 MOSFET的基本工作原理
ID 当 VG > VT 时 ID : 0
7/121
B
3.1 MOSFET的结构和工作原理6
3.1.4 MOSFET 的分类和符号
NMOS
26/121
3.2 MOSFET的阈值电压13
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
(2) MOSFET 的 VT
0 n+ VGS n+ EC EC EV EV VGS = VFB, VBS = 0 2qVB EC EC EV VGS = VT, VBS = 0 EV VGS = VT(VBS), VBS > 0 q |VBS| VGS = VFB, VBS > 0 q(2VB+ |VBS|)
接触电势差
功函数差
3.2 MOSFET的阈值电压3
3.2.2 阈值电压的表达式
16/121
n 沟 MOS （NMOS）
VTn ms
Qss qN Ad max 2kT N A ln Cox Cox q ni
p 沟 MOS （PMOS）
Qss qN D d max 2kT N D VTp ms ln Cox Cox q ni
3.2 MOSFET的阈值电压1
3.2.1 半导体的表面状态
14/121
VG = ?
3.2 MOSFET的阈值电压2
3.2.2 阈值电压的表达式
不考虑 ms Qss Qox 时
15/121
QB (d max ) qN Ad max VT 2VB 2VB Cox Cox 1/ 2 N A 2kT N A 1 ln 4 N A s kT ln q n C n i i ox
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
第三章 MOSFET的基本特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理
13/121
3.2 MOSFET的阈值电压
3.3 MOSFET的直流特性
3.4 MOSFET的频率特性
3.5 MOSFET的开关特性
3.6 MOSFET的功率特性
3.2 MOSFET的阈值电压4
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 (1) 金属功函数 Wm
17/121
金属
Wm (eV)
Mg
3Cu
4.7
Au
5.0
Ag
5.1
n+-poly
4.05
p+-poly
5.15
(2) 半导体功函数 Ws
Eg Ws s qVB = 2
3.2.3 影响 VT 的因素
4. 离子注入调整 VT
23/121
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
Rp << dmax
P-Si
增强型 耗尽型
total QB ( d max ) d max ' qN A N A ( x )dx QB ( d max ) QB ( d max )
QB ( d max ) qN Ad max
30/121
Vs 2VB VBS
2 2VB VBS d max (VBS ) s NA q
1/ 2
VTn VBS VGS VBS ms
Qss qN Ad max (VBS ) 2VB VBS VBS Cox Cox 1/ 2 2 V V Q qN 2 Q qN Ad max (VBS ) B BS A s 2VB ms ss 2VB ms ss Cox Cox q NA Cox Cox
3.2 MOSFET的阈值电压5
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响
(3) Al栅工艺 / 硅栅工艺 自对准多晶硅栅工艺 Self-aligned
18/121
(P-Si)
3.2 MOSFET的阈值电压5
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 多晶硅栅 MOSFET
0
QB ( d max )
d max
0
qN ( x )dx qN Im
' A
VT
QB qN Im Cox Cox
3.2 MOSFET的阈值电压10
3.2.3 影响 VT 的因素
4. 离子注入调整 VT 离子注入调整 VT 应用 1o 调整 MOSFET 的 VT 注硼 使 NMOS 成为增强型 使 PMOS |VT| 降低
增强型 耗尽型 增强型
8/121
PMOS
耗尽型
衬底
S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT + D 符号
p
n+ 电子 + DS SD D D B S G S B
n
p+ 空穴 SD SD + D G S B
G
S
B
G
3.1 MOSFET的结构和工作原理7
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理9
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
2. 转移特性
11/121
D G 输出 S
输入 S
IDSS ~ VGS（VDS为参量）
NMOS（增强型）
3.1 MOSFET的结构和工作原理10
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
2. 转移特性
12/121
VTn VTn VBS VTn VBS 0 VTp VTp VBS VTp VBS 0 2 s qN A 2VB VBS 2VB Cox 2 s qN D Cox
3.1.1 MOSFET简介
4/121
MOSFET vs BJT
MOSFET 电场调节作用 （E ID ） BJT 少子注入 扩散 收集
多子作用（多子器件）
一种载流子（单极） 输入阻抗高 （MOS 绝缘体 > 109 ） 电压控制器件 噪声低，抗辐射能力强
少子作用（少子器件）
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
(2) MOSFET 的 VT
29/121
q|VBS|
VGS = VT , VBS = 0
VGS = VT(VBS) , VBS > 0
3.2 MOSFET的阈值电压16
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (3) VT(VBS) VBS = 0 时 VBS 0 时
3.4 MOSFET的频率特性
3.5 MOSFET的开关特性
3.6 MOSFET的功率特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理1
3.1.1 MOSFET简介
3/121
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
3.1 MOSFET的结构和工作原理2
3.2 MOSFET的阈值电压11
3.2.3 影响 VT 的因素
5. MOS 栅电极的发展历史
Al栅 PMOS n+-poly PMOS n+-poly NMOS n+-poly CMOS（buried channel PMOS） dual-poly CMOS poly-SiGe gate electrode metal gate
两种载流子（双极） 输入阻抗低 （pn 结正偏，共射~ k） 电流控制器件 ~ 少子 ~ Nit
工艺要求高（~ Qss）
频率范围小，功耗低 集成度高
工艺要求低
高频，大功率 集成度低
3.1 MOSFET的结构和工作原理3
3.1.1 MOSFET简介
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晶体管发展史
1o 提出 FET 的概念 2o FET 实验研究 J. E. Lilienfeld（1930 专利） O. Heil （1939 专利） W. Shockley （二战后）
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Boron penetration in PMOSFET
3.2 MOSFET的阈值电压12
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (1) 衬偏效应的来源
+VDD T2 + 0.5 V T1 +VDD T2 VBS VBS T2 VBS +VDD
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Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni Q qN d 2kT N D VTp ms ss D max ln Cox Cox q ni
2o 沟道阻断注入 (Channel-stop implant)