qN A (W x) 2 qN A (W x) ( x) ; ( x) 2 K s 0 K s 0 qN AW s ( x 0) 2 K s 0
2
2 K s 0s W qN A
1/ 2
半导体器件
反型
半导体器件
反型-1
耗尽层电荷:
FB ms
Cox
U G U FB U ox U s U T U FB U ox 2F U ss U Bm 2F ms Cox
U Tn U Tp
Qss QBm 2kT N A ln ms Cox Cox q ni Qss QBm 2kT N A ln ms Cox Cox q ni
QG Qss QBm Qn 0 QG Qss QBm 0
半导体器件
MOSFET阈电压-1
QG QBm 2 0 s N B (2F ) U G U OX U S U OX QG Q BM Cox Cox
1/ 2
QBM U T ( 0) 2F Cox
半导体器件
分类-1
增强和耗尽
半导体器件
MOSFET的阈值电压
定义 阈值电压
衬底表面开始强反型
时的栅源电压 UT(ideal)
半导体器件
阈值电压的表示式
MOS结构中的电荷分布
Us 2F 2( Ei EF ) q kT N a Fp ln q ni
1 2
2 (2F ) X dm 0 s qNB QBM qNB X dm
0
半导体器件
平方律理论-2
②给出强反型表面势 的表达式
栅下半导体表面不 同位置上的表面 势不一样 表面耗尽区最大 电荷面密度:
Vsin v 2Fp VBS V ( y)
QBM 2q s N A (2 Fp VBS V ( y )) QBM 2q s N A (2 Fp VBS V (0))
一．半导体基础 二．pn结 三．BJT
四．MOS结构基础
五．MOSFET
六．MS接触和肖特基二极管 七．JFET 和 MESFET简介
半导体器件
MOSFET结构
半导体器件
MOSFET的结构
MOSFET与BJT的比较
输入阻抗高 噪声系数小 功耗小 温度稳定性好 抗辐射能力强
transistors)
半导体器件
能带图
半导体器件
电荷块图
半导体器件
外加偏置电压的影响
半导体器件
外加偏置电压的影响-1
半导体器件
MOS结构的基本公式
半导体器件
MOS结构的基本公式-1
( x) s
1 Ei (bulk) Ei ( x) q 1 Ei (bulk) Ei ( surface) q 1 F Ei (bulk) EF q
陷阱电荷
辐射产生, 退火可以消除
半导体器件
理想的MOS结构
特点
金属足够厚 氧化层完美无缺陷 半导体均匀掺杂 半导体足够厚 半导体背面是理想的
Si Vg
欧姆接触 一维结构
半导体器件
理想的MOS结构
一．heart of MOSFETs (from which CMOS is made) 二．heart of DRAMs, Flash memories
MOS电容
电容的定义:
半导体器件
MOS电容-1
半导体器件
MOS电容-2
积累态:
K o 0 AG C Co x0 Co C s Co C Co Cs 1 K oW K s x0
耗尽态:
半导体器件
MOS电容-3
反型
半导体器件
实验结果
半导体器件
半导体器件原理
2 0 s qN A (2F U ( y ))
1/ 2
半导体器件
非理想条件下的阈值电压-1
UBS<>0时的UT
NMOS
PMOS
定义:
则
半导体器件
非理想条件下的阈值电压-2
衬偏调制系数的定义:
半导体器件
影响阈值电压的因素
栅氧厚度 功函数差 氧化层中的电荷 衬底掺杂浓度
Ks VG s x0 s K0
半导体器件
栅电压 VG
2qN A s s K s 0
1 2
K s 2qN A 2 VG s x0 s ........( s 2F ) 0 K 0 K s 0
1
半导体器件
半导体器件
半导体器件
非理想条件下的阈值电压
UBS=0, UDS<>0时的阈 值电压
2 (2F U ( y )) ' X dm 0 s qN A Q
' Bm 1/ 2
U Tn U Tp
' Qss QBm 2kT N A ln ms Cox Cox q ni ' Qss QBm 2kT N A ln ms Cox Cox q ni
半导体器件
平方律理论-1
①引用欧姆定律，列沟 道电流密度方程。
dV ( y ) J c ( x, y ) q n n( x, y ) E y q n n( x, y ) dy dV ( y ) w xi I c q n 0 0 n( x, y)dxdz dy dV ( y ) I c nWQ n ( y ) xi dy Qn ( y ) q n( x, y )dx
半导体器件
影响阈值电压的因素
VT的调整:
1. 衬底掺杂浓度 2. 二氧化硅厚度
半导体器件
阈电压调整技术
离子注入掺杂调整 阈电压
一般用理想的阶梯
分布代替实际的分 布 按注入深度不同, 有以下几种情况:
浅注入 深注入 中等深度注入
半导体器件
阈电压调整技术-1
浅注入
注入深度远小于表面最大耗尽层厚度半导体表面达到强反型时，
三三明治结构
一．Al/SiO2/Si (early MOSFETs) 二．N+-polySi/SiO2/Si (modern MOSFETs) 三．Al/Si3N4/Si (metal lines on Si) 四．WSi/AlGaAs/InGaAs (mordern high-frequency
半导体器件
积累
半导体器件
平带
半导体器件
Flat Band Voltage
VFB M S MS
半导体器件
栅电压 VG
VG semi ox semi ( x 0) s ox ox dx x0 ox
x0 0
Ks Ks Dox Dsemi x 0 ox s ox x0 s K0 K0
L
n

xc ( y )
0
n ( x, y )n( x, y )dx
xc ( y ) 0
y
N+ N+

n( x, y )dx n( x, y )dx
QN ( y ) q
xc ( y )
0
x
xc ( y ) q n 0 n ( x, y)n( x, y)dx QN ( y )
• •
•
I Dsat
半导体器件

2
(VGS VT ) 2
半导体器件
体电荷理论
假设10不成立时
QN ( y ) Cox (VGS VT ) qN A (W ( y ) WT ) 2 s 0 W ( y) (2F ) qN A 2 s 0 WT (2F ) qN A
薄层中电离的受主中心的作用与界面另一侧SiO2中Q ox的作用相 似。
深注入
阶梯深度大于强反型状态下的表面最大耗尽区厚度
半导体器件
阈电压调整技术-2
中等深度注入
半导体器件
阈电压调整技术-3
埋沟MOSFET
用埋沟技术控制UT
半导体器件
有效迁移率
载流子迁移率受材料内部晶格散射和离 化杂质散射决定 表面碰撞减低迁移率
s A


1
2
假定10:
2q N

1
2
(2 Fp VBS )

1
2
半导体器件
平方律理论-3
(3)求Qn(y)
半导体器件
平方律理论-4
④求ID
0~L积分:
半导体器件
平方律理论-5
Qn(L)=0 表示沟道漏端夹断
夹断点移动到L’处:
半导体器件
平方律理论-6
• • 当VDS>VDsat时，超过VDsat那部分外加电压降落在夹断区上。 夹断区是已耗尽空穴的空间电荷区，电离受主提供负电荷， 漏区一侧空间电荷区中的电离施主提供正电荷。 漏区和夹断区沿y方向看类似于一个N+P单边突变结。 当夹断区上电压降增大时，夹断区长度扩大，有效沟道长度 缩短。 对于长沟道MOSFET，未夹断区的纵向及横向的电场和电荷 分布基本上与VDS=VDsat时相同, 漏极电流恒定不变，这就是 电流饱和。
1 2 1 2
半导体器件
饱和区特性
实际应用的MOSFET，在饱和区工作时漏 极电流都是不完全饱和的。 ID随VDS增加而缓慢上升 两种机理解释：
工艺要求高
半导体器件
基本工艺
Al栅结构
半导体器件