半导体器件原理与工艺(器件)3

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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
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
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wk.baidu.com器件
理想的MOS结构
一．heart of MOSFETs (from which CMOS is made) 二．heart of DRAMs, Flash memories
工艺要求高
半导体器件
基本工艺
Al栅结构
半导体器件
Si栅结构
MOSFET的基本工作原理与输出特性
VG是控制电压。 当VG«VT，两个背靠背二极管 当VG略小于VT时，表面耗尽层产生 当VG>VT时，表面反型
半导体器件
工作原理
半导体器件
工作原理-夹断特性
半导体器件
MOSFET的分类
N沟和P沟
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
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。
kT q ln(N A / ni ) p Si F kT ln(N D / ni ) n Si q
16.7 半导体器件
耗尽
半导体器件
耗尽-1
( x) q( p n N A ) qN A ( x) qN A d ( x) ; ( x) x K s 0 K s 0 dx ( x W ) 0; ( x W ) 0
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
有效迁移率-1
与栅电压有关
n
1 (VG VT )
0
VG越大有效迁移率越小
半导体器件
平方律理论
非饱和区电流电压方程 萨方程(SPICE一级模型) 基本假定: ①衬底均匀掺杂。 ②长沟道器件，沟道两端的边缘效应以及其他短沟道效应不起作 用；沟道宽度远大于沟道长度，与沟道电流垂直方向上的两侧 边缘效应也不予考虑。 ③反型层内载流子迁移率等于常数。 ④二氧化硅层电荷面密度QOX等于常数。 ⑤忽略漏区、源区体电阻及电极接触电阻上的电压降。 ⑥忽略源、漏PN结及场感应结的反向漏电流。 ⑦强反型近似条件成立。 ⑧沟道导通时漂移电流远大于扩散电流。 ⑨缓变沟道近似条件成立，即与Si/SiO2界面垂直方向电场强度的 数值远大于沟道流动方向上的电场强度数值。 ⑩忽略表面耗尽区电荷面密度沿沟道电流流动方向的变化。
半导体器件
阈电压-2
实际的MOS器件中, QOX不 为0, 金属/半导体功函数 差MS也不等于0, 当VG=0时 半导体表面已经发生弯曲, 为使能带平直，需加一定 的外加栅压去补偿上述两 种因素的影响，这个外加 栅压值称为平带电压，记 为VFB。
半导体器件
实际MOSFET阈电压-3
考虑氧化层中的电荷, 金属半导体功函数影 Q 响 U ss
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：
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))
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 )
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，
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
半导体器件原理
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
硅半导体表面
理想硅表面
键的排列从体内到表面不变,硅体特性不受影响
半导体器件
硅表面-1
一．真实表面
表面沾污(C,O etc.)
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
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
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
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:
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
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
表面重构
半导体器件
Si-SiO2界面
一．表面钝化
最常见的钝化材料: SiO2
半导体器件
硅表面-3
二氧化硅的宽禁带阻止了半导体中载流子的 逃逸
半导体器件
Si-SiO2系统中的表面态与表面处理
可动离子 M+ 固定表面电荷
过剩硅离子产生的
界面态
晶格中断, 引起表面能级 (111)>(110)>(100)
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