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MOS场效应晶体管 (2)
§ MOSFET基本工作原理和分类
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§ MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当VGS=0高Cox的目的
选用高介电常数材料，如Si3N4、Al2O3并用SiO2过渡以减少界面 态，形成所谓MNOSFET和MAOSFET
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§ MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析





功函数：某种材料的费米能级与真空中自由电子能级之差
修正功函数：在MOS结构中，金属和半导体中费米能级与SiO2导带边缘的能量差
电子亲和势：从导带到真空的电势能，对于半导体，在表面处将一个导带底上的电子移到真空中所需做的功，即c=E0-Ec
真空
E0
EFM
Ec
Ev
EFS
Ei
Ec(SiO2)
En
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§ MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析





可见，半导体修正功函数与掺杂浓度有关，反映在En或费米势上，（eV)
真空
E0
EFM
Ec
Ev
EFS
Ei
Ec(SiO2)
En
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（eV)
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金属与半导体的功函数（修正功函数）各不相同，当它们形成MOS结构时，为满足热平衡时费米能级处处相等的要求，将在半导体表面引起能带弯曲
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为消除功函数差引起的能带弯曲以使硅中无电场，所需“另加的”栅压就是功函数差（修正功函数差）对应的电压——平带电压（中的Vms)
EFM
Ec
Ev
EFS
Ei
Al
SiO2
P-Si
EFM
Ec
Ev
EFS
Ei
Al
SiO2
P-Si
Eg/2
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符号问题
例子：
Al-p-Si(NA=1014cm-3) MOS结构
接触后，金属电位高于半导体，相当于正电压作用，使表面能带向下弯曲。欲使之平直，需在金属侧加一负压
在n沟MOSFET中在正的阈值电压中减去Vms，相当于正的Vms已使能带下弯，再加上一点正压使表面势达到2倍费米势即可。同样，Qox>0，则也应减去相应电压
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§ MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析





NA(ND)通过费米势（以及功函数）影响VT
(eV)
影响不大
真空
E0
EFM
Ec
Ev
EFS
Ei
Ec(SiO2)
En
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§ MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析





NA(ND)通过场感应结耗尽层空间电荷影响VT
体效应系数
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衬底杂质浓度越大，其变化对VT的影响越大，是因为杂质浓度越大，越不易达到表面强反型
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衬底反偏VBS通过NA(ND) 影响QBmax，从而改变VT
即不同的 NA下，VBS对VT的影响也不同
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衬底杂质浓度N可以通过φF、Vms及QBmax影响VT，其中影响最大者为QBmax，故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部N来调整VT
Ns为注入剂量
综上所述：
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§ MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析





界面态电荷（界面陷阱电荷）
半导体表面晶格周期中断，存在“悬挂键”（高密度局部能级）。束缚电子带负电荷，俘获空穴则带正电荷。
这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态
其带电状态与能带弯曲有关，且有放电驰豫时间，应尽量降低其密度
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固定氧化物电荷
可动离子电荷
电离陷阱电荷
位于界面SiO2侧20nm的