中国科学技术大学物理系微电子专业 第五章：MOS器件 §5.1MOS结构及MOS二极管 §5.2 MOSFET的基本理论 §5.3 MOSFET的频率特性 §5.4 MOSFET的击穿特性 §5.5 MOSFET的功率特性 §5.6 MOSFET的温度特性 §5.7 MOSFET的开关特性 §5.8CMOS互补型低功耗电路 §5.9 MOSFET的短沟道效应 §5.10 MOSFET的器件小型化 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 1 第五章： MOS器件 §5.1 MOS结构及MOS二极管 §5.2 MOSFET的基本理论 §5.3 MOSFET的频率特性 §5.4 MOSFET的击穿特性 §5.5 MOSFET的功率特性 §5.6 MOSFET的温度特性 §5.7 MOSFET的开关特性 §5.8 CMOS互补型低功耗电路 §5.9 MOSFET的短沟道效应 §5.10 MOSFET的器件小型化 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子考业 简介 MOSFET在半导体器件中占有相当重要的地位，它 是大规模集成电路和超大规模集成电路中最主要的 种器件 MOSFET是一种表面场效应器件，是靠多数载流子 传输电流的单极器件。它和前面介绍的FET、 MESFET统称为场效应晶体管，其工作以半导体的 场效应为物理基础。 与两种载流子都参加导电的双极晶体管不同，场效 应晶体管的工作原理是以简单的欧姆定律为根据 而双极晶体管是以扩散理论为根据。双极晶体管是 电流控制器件，场效应晶体管则是电压控制器件。 与JFET和MESFET栅压控制导电沟道截面积不同， MOS器件栅压控制的是导电沟道的载流子浓度。 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 2
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 2 简介 • MOSFET在半导体器件中占有相当重要的地位，它 是大规模集成电路和超大规模集成电路中最主要的 一种器件。 • MOSFET是一种表面场效应器件，是靠多数载流子 传输电流的单极器件。它和前面介绍的JFET、 MESFET统称为场效应晶体管，其工作以半导体的 场效应为物理基础。 • 与两种载流子都参加导电的双极晶体管不同，场效 应晶体管的工作原理是以简单的欧姆定律为根据， 而双极晶体管是以扩散理论为根据。双极晶体管是 电流控制器件，场效应晶体管则是电压控制器件。 • 与JFET和MESFET栅压控制导电沟道截面积不同， MOS器件栅压控制的是导电沟道的载流子浓度。 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子专业 对于微处理器、半导体存贮器等超大规模集成电 路来说是最重要的器件，也日益成为一种重要的 功率器件。 MOSFET的IV特性与JFET、MESFET的特性相类似。 M0S器件栅下的绝缘层可以是Si02、SigN4、A1203 等绝缘材料，所以又称为MIS器件。目前以Si0,最 为普遍 Source Drain N型MOSFET的基本 Substrate 结构 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 3
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 3 • 对于微处理器、半导体存贮器等超大规模集成电 路来说是最重要的器件，也日益成为一种重要的 功率器件。 • MOSFET的IV特性与JFET、MESFET的特性相类似。 • MOS器件栅下的绝缘层可以是SiO2、Si3N4、Al2O3 等绝缘材料，所以又称为MIS器件。目前以SiO2最 为普遍。 Principle of Semiconductor Devices N型MOSFET的基本 结构
中国科学技木大学物理系微电子专业 §5.1MOS结构及MOS二极管 1、基本结构和能带图 MOS结构指金属一氧化物一半导体结构： 半导体作为衬底，假定均匀掺杂； 氧化物一般为SiO2,生长工艺简单，SiO2 /Si的界面态密度<1010cm2(单位面积界面 陷阱数) 金属泛指栅极材料，不仅限于金属。目前 主要采用多晶硅或难熔金属硅化物。 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 4
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 4 §5.1 MOS结构及MOS二极管 1、基本结构和能带图 MOS结构指金属－氧化物－半导体结构： 半导体作为衬底，假定均匀掺杂； 氧化物一般为SiO2，生长工艺简单， SiO2 /Si的界面态密度<1010cm-2（单位面积界面 陷阱数）； 金属泛指栅极材料，不仅限于金属。目前 主要采用多晶硅或难熔金属硅化物。 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子考业 SiO2 metal MOS二极管的结构图 MOS二极管是重要的半导 Si 体器件，在半导体表面 的研究中及其重要。 N心Ohmic contact Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 5
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 5 SiO2 metal semiconductor Si d Ohmic contact MOS二极管的结构图 MOS二极管是重要的半导 体器件，在半导体表面 的研究中及其重要。 V GND Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子专业 金属-氧化物SiO2)-半导体(Si )(MOS)结构是 主流半导体器件CMOS的重要组成部分，典型 的结构如AI/SiO2p-Si, 其基本的能带结构参数如下图所示。 xB 中，=光+2g qx ox =0.95eV 0 qu=4.1eV qXs1=4.05 Si ---EF EF Aluminum Eg8eV MOS Structure Silicon Silicon Dioxide Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 6
中国科学技术大学物理系微电子专业 • 金属-氧化物(SiO2 )-半导体(Si) （MOS）结构是 主流半导体器件CMOS的重要组成部分， 典型 的结构如Al/SiO2 /p-Si， • 其基本的能带结构参数如下图所示。 2023/6/3 Saturday 6 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子考业 2、理想MOS二极管的定义： 1)零偏压下，能带是平的。 师=（师n-9师，）=9师n-r+号+9州2)）=0 2)任意偏置下，二极管中只有两部分数量相等但符号相反的 电荷：半导体中的电荷和靠近氧化物的金属表面上的电荷。 3)在直流偏置下，氧化层中没有载流子输运，或者说氧化 物的电阻无限大。 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 7
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 7 2、理想MOS二极管的定义： 1）零偏压下,能带是平的。 0 2 B E q m s q m q s q m q q g 2）任意偏置下，二极管中只有两部分数量相等但符号相反的 电荷：半导体中的电荷和靠近氧化物的金属表面上的电荷。 3）在直流偏置下，氧化层中没有载流子输运，或者说氧化 物的电阻无限大。 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子专业 理想MOS二极管的能带图 VACUUM LEVEL V=0 gx 99n998 E/2 Ec Metal Oxide p-type semiconductor work function gg:the energy between the Fermi level E and the intrinsic q:electron affinity Fermi level E Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 8
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 8 理想MOS二极管的能带图 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物埋系微电子专业 3、平带电压 在MOS结构中，金属和半导体之间因功函数差而产 生一定的固有电压，并造成半导体能带弯曲，如果 金属对半导体加相反电压使之平衡其固有电压，则 半导体表面和体内一样，能带处处平坦。外加的能 使半享体能带是平的电压称为平帮电压VB· 对于实际的SiO,/Si MOS.二极管，在系统中有所谓 的有效界面电荷，将在金属和半导体内感应极性相 反的电荷，是造成半导体能带不平的另一个原因， 这时，必须再加一个电压才能使半导体中的电荷完 全消失，能带处处拉平。 因此实际MOS结构，平带电压分为两部分： VFB-VFBI+VFB2 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 9
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 9 3、平带电压 • 在MOS结构中，金属和半导体之间因功函数差而产 生一定的固有电压，并造成半导体能带弯曲，如果 金属对半导体加相反电压使之平衡其固有电压，则 半导体表面和体内一样，能带处处平坦。外加的能 使半导体能带是平的电压称为平带电压VFB。 • 对于实际的SiO2 /Si MOS二极管，在系统中有所谓 的有效界面电荷，将在金属和半导体内感应极性相 反的电荷，是造成半导体能带不平的另一个原因， 这时，必须再加一个电压才能使半导体中的电荷完 全消失，能带处处拉平。 • 因此实际MOS结构，平带电压分为两部分： VFB=VFB1+VFB2。 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子考业 (1)VB1:用来抵消功函数差的影响 9q中m-94 =中 (gz+Eg/2)-94_Ep-E=4。-p8 -q4 其中， Er-EL-0r -9 相对于本征费米能级定义的半导体材料的费米势。 对于给定的MOS结构， 即VB1' 决定于MOS结构所用的栅极材料和 半导体掺杂浓度。 Principle of Semiconductor Devices 2023/6/3 10
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/6/3 Saturday 10 （1）VFB1：用来抵消功函数差的影响 G B g m F i ms m S FB q E E q q E q q q q V ( / 2) 1 其中， F F i B q E E 相对于本征费米能级定义的半导体材料的费米势。 对于给定的MOS结构， mS 即VFB1，决定于MOS结构所用的栅极材料和 半导体掺杂浓度。 Principle of Semiconductor Devices