MOS器件阈值电压.ppt

§1、 MOSFET 的物理结构、工作原理和类型§2、 MOSFET 的阈值电压§3、 MOSFET 的直流特性§4、 MOSFET 的动态特性§5、小尺寸效应 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 V Tn 表示, PMOS 的阈值电压用 V Tp 表示。阈值电压: Threshold voltage MOS 电容的阈值电压( 1) GBV P-Si B GOx Y 2 SiO Metal 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 iQ bQ dx cx sQ mQ ox s ox m ox s ox FB GB b i S S mC Q C Q V VVV Q Q Q Q Q??????????? 0 XE s? oxv GBV P-Si B GOx Y 2 SiO XE s? oxv Metal 半导体表面强反型时的栅体电压称为 MOS 电容的阈值电压 V T ox bf FB TC Q VV max 2???? ox ms FBC Q VV 0???fB si dB bqN xqN Q???22 0 max max????) ln( i B Bfn N q TkV? MOS 电容的阈值电压( 2) sfE iE cE VE mfE 0 ?? GV cx max dx s? f?x MOS 电容反型时能带图 MOSFET 与 MOS 电容的不同( 1) MOS 电容?表面电场由栅电压控制,半导体表面处于平衡态,有统一的费米能级。表面空间电荷沿 Y方向均匀分布。 MOSFET ?栅下的电荷受栅电压产生的纵向电场 E X 、源漏电压产生的横向电场 E Y 的共同作用, 是一个二维问题*。?V DS、V BS使半导体表面势、表面电荷、表面反型层和耗尽区厚度都随 Y变化。?沿Y方向有电流流动,表面处于非平衡态, 反型层与体内不再有统一的费米能级。 MOSFET 与 MOS 电容的不同( 2) MOSFET 与 MOS 电容的不同( 3) V GS >V Tn+n+ V DS >0 p-substrate Channel SB I DS V BS NMOS 反型层和耗尽区如何得到? 、)()(yQy ss?在一定的近似条件下求解二维泊松方程: siyx y yx x yx????? 0 2 2 2 2),(),(),(??????? MOSFET 电压-电荷关系 ox ss FB GBC yQ yVV )()(????G radual C hannel A pproximation * 假定 y方向(沿沟道方向)电场 E Y的变化远小于相应的X方向(垂直于沟道方向)电场 E X的变化。其数学表示式为缓变沟道近似( GCA ) 2 22 2XYX EY E X Y???????????????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 V GS >V TN,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 V CB (y) ,那么沟道区的电子准费米能级 E Fn比衬底空穴的准费米能级 E FP低 qV CB (y) 。 MOSFET 的表面势( 1)