The metal-oxide-semiconductor field

The metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is composed of an MOS

diode and two p-n junctions placed immediately adjacent to the MOS diode. Since its

first demonstration in 1960, the MOSFET has developed quickly and has become the

most important device for advanced integrated circuits such as microprocessors and semi-
conductor memories. This is because the MOSFET consumes very low power and has

a high yield of working devices. Of particular importance is the fact that MOSFET can

be readily scaled down and will take up less space than a bipolar transistor using the same

design rule.

Specifically, we cover the following topics:

The inversion condition and threshold voltage of an MOS diode.

Basic characteristics of a MOSFET.

MOSFET scaling and its associated short-channel effects.

Low-power complementary MOS (CMOS) logic structure.

MOS memory structures.

Related devices including charge-coupled device, silicon-on-insulator device,

and power MOSFET.

170 kbn Chapter 6. MOSFET and Related Devices

b 6.1 THE MOS DIODE

The MOS diode is of paramount important in semiconductor device physics because the

device is extremely useful in the study of semiconductor surfaces.§ In practical applica-
tion, the MOS diode is the heart of the MOSFET-the most important device for advanced

integrated circuits. The MOS diode can also be used as a storage capacitor in integrated

circuits and it forms the basic building block for charge-coupled devices (CCD). In this

section we consider its characteristics in the ideal case, then we extend our considera-
tion to include the effect of metal-semiconductor work-function difference, interface traps,

and oxide chargesS1

6.1.1 The Ideal MOS Diode

A perspective view of an MOS diode is shown in Fig. la. The cross section of the device

is shown in Fig.lb, where d is the thickness of the oxide and V is the applied voltage on

the metal field plate. Throughout this section we use the convention that the voltage V

is positive when the metal plate is positively biased with respect to the ohmic contact

and V is negative when the metal plate is negatively biased with respect to the ohmic

contact.

The energy band diagram of an ideal p-type semiconductor MOS at V = 0 is shown

in Fig. 2. The work function is the energy difference between the Fermi level and the

vacuulii level (i.e., q@,, for the metal and q$~~ for the semiconductor). Also shown are the

electron affinity q~, which is the energy difference between the conduction band edge

and the vacuum level in the semiconductor, and qy,, which is the energy difference

between the Fermi level EF and the intrinsic Fermi level E,.

V

SiO,

Ohmic contact

Fig. 1 (a) Perspective view of a metal-oxide-semiconductor (MOS) diode. (b) Cross-section of

an MOS diode.

A more general class of device is the metal-insulator-semiconductor (MIS) diode. However, because in

most experimental studies the insulator has been silicon dioxide, in this text the term MOS diode is used

interchangeably with MIS diode.

Chapter 6. MOSFET and Related Devices 4 171

Vacuum level

- Eg/2

Ec

semiconductor tdl I Oxide I

Fig. 2 Energy band diagram of an ideal MOS diode at V = 0.

An ideal MOS is defined as follows. (a) At zero applied bias, the energy difference

between the metal work function q@m and the semiconductor work function q@s is zero,

or the work function difference q@, is zero.§

4@m'(4~-4@s)=q@m- (1)

where the sum of the three items in the brackets equals to q& In other words, the energy

band is flat (flat-band condition) when there is no applied voltage. (b) The only charges

that exist in the diode under any biasing conditions are those in the semiconductor and

those with equal but opposite sign on the metal surface adjacent to the oxide. (c) There

is no carrier transport through the oxide under direct current (dc)-biasing conditions, or

the resistivity of the oxide is infinite. This ideal MOS diode theory serves as a founda-
tion for understanding practical MOS devices.

When an ideal MOS diode is biased with positive or negative voltages, three cases

may exist at the semiconductor surface. For the case of p-type semiconductor, when a

negative voltage (V < 0) is applied to the metal plate, excess positive carriers (holes) will

be induced at the Si0,-Si interface. In this case, the bands near the semiconductor sur-
face are bent upward, as shown in Fig. 3a. For an ideal MOS diode, no current flows in

the device regardless of the value of the applied voltage; thus, the Fermi level in the semi-
conductor will remain constant. Previously, we determined that the carrier density in the

semiconductor depends exponentially on the energy difference E, - EF , that is,

E, -E,)I~T pp = n,e( (2)

The upward bending of the energy band at the semiconductor surface causes an

Results (Indonesian) 1:

Semikonduktor logam oksida transistor efek - Medan (MOSFET) terdiri dari MOSdioda dan dua p-n persimpangan ditempatkan berbatasan langsung ke MOS dioda. Karena yangdemonstrasi pertama pada tahun 1960, MOSFET telah berkembang dengan cepat dan telah menjadiperangkat yang paling penting untuk sirkuit terpadu canggih seperti mikroprosesor dan semi-kenangan konduktor. Hal ini karena MOSFET mengkonsumsi daya sangat rendah dan telahhasil yang tinggi dari perangkat kerja. Penting adalah kenyataan yang dapat MOSFETmudah diskalakan turun dan akan mengambil ruang yang kurang dari transistor dwikutub menggunakan samaaturan desain.Secara khusus, kami mencakup topik-topik berikut:Inversi kondisi dan ambang tegangan dari dioda MOS.Karakteristik dasar dari MOSFET.MOSFET scaling dan efek pendek-channel yang terkait.Rendah daya komplementer MOS (CMOS) logika struktur.MOS memori struktur.Perangkat yang terkait termasuk peranti tergandeng – muatan, perangkat silikon pada isolator,dan power MOSFET.170 kbn Bab 6. MOSFET dan perangkat yang terkaitb 6.1 THE MOS DIODADioda MOS adalah teramat penting penting dalam Fisika perangkat semikonduktor karenaperangkat ini sangat berguna dalam studi permukaan semikonduktor. § praktis applica-tion, dioda MOS adalah jantung dari MOSFET-the perangkat paling penting untuk majusirkuit terpadu. Dioda MOS juga dapat digunakan sebagai sebuah kapasitor penyimpanan dalam terpadusirkuit dan membentuk blok bangunan dasar untuk biaya - pengindera perangkat (CCD). Dalam hal iniBagian kita mempertimbangkan karakteristik dalam kasus ideal, maka kami memperluas kami considera-tion termasuk efek dari perbedaan fungsi kerja logam-semikonduktor, perangkap antarmuka,dan chargesS1 oksida6.1.1 Ideal MOS diodaPemandangan perspektif dioda MOS ditunjukkan pada gambar. La. Penampang perangkatditampilkan dalam Fig.lb, dimana d adalah ketebalan oksida dan V adalah tegangan yang dikenakan padapelat logam bidang. Seluruh bagian ini kami menggunakan konvensi bahwa tegangan Vpositif ketika pelat logam positif bias terhadap kontak ohmikdan V negatif ketika pelat logam negatif bias terhadap ohmikHubungi.Diagram band energi semikonduktor tipe-p ideal MOS di V = 0 ditunjukkandalam Fig. 2. Fungsi kerja adalah perbedaan energi antara tingkat Fermi danvacuulii tingkat (yaitu, q @,, untuk $ logam dan q ~ ~ untuk semikonduktor). Juga ditampilkan adalahelektron afinitas q ~, yang merupakan perbedaan energi antara tepi band konduksidan tingkat vakum dalam semikonduktor, dan qy,, yang perbedaan energiantara EF tingkat Fermi dan E tingkat Fermi intrinsik.VSiO,Kontak ohmikGambar 1 (a) perspektif pandangan dioda semikonduktor logam oksida (MOS). (b) penampangdioda MOS.Kelas perangkat yang lebih umum adalah dioda semikonduktor-logam-insulator (MIS). Namun, karena dalamStudi paling percobaan isolator telah silikon dioksida, dalam teks ini istilah MOS dioda digunakansecara bergantian dengan dioda MIS.Bab 6. MOSFET dan perangkat yang terkait 4 171Tingkat vakum-Misalnya/2ECsemikonduktor tdl saya oksida sayaGambar 2 energi band diagram dari dioda MOS ideal di V = 0.MOS ideal didefinisikan sebagai berikut. () di zero diterapkan bias, perbedaan energiantara q@m fungsi kerja logam dan fungsi kerja semikonduktor q@s adalah nol,atau fungsi kerja perbedaan q @, nol. §4@ m'=q@m-(4~-4@s) (1)dimana jumlah item tiga dalam kurung setara dengan q & dengan kata lain, energiband datar (datar-band kondisi) ketika tidak ada tegangan. (b) biaya hanyayang ada dalam dioda di bawah setiap biasing kondisi adalah orang-orang dalam semikonduktor danmereka dengan sama tetapi seberang tanda pada permukaan logam yang berdekatan dengan oksida. (c)adalah tidak ada operator transportasi melalui oksida di bawah arus searah (dc)-biasing kondisi, atauresistivitas oksida tak terbatas. MOS dioda teori ini ideal berfungsi sebagai founda-tion untuk memahami alat-alat praktis MOS.Kapan dioda MOS ideal bias dengan tegangan positif atau negatif, tiga kasusmungkin ada di permukaan semikonduktor. Untuk kasus semikonduktor tipe-p, ketikanegatif tegangan (V < 0) diterapkan ke pelat logam, akan kelebihan positif operator (lubang)diinduksi di Si0,-Si antarmuka. Dalam kasus ini, band dekat semikonduktor sur-wajah yang bengkok ke atas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a. Untuk ideal MOS dioda, tidak ada arus mengalir dalamperangkat terlepas dari nilai tegangan; dengan demikian, tingkat Fermi di semi-konduktor akan tetap konstan. Sebelumnya, kami bertekad bahwa rapatan pembawasemikonduktor tergantung secara eksponensial perbedaan energi E, - EF, yaituE, -E,) saya ~ T pp = n, e ((2)Membungkuk ke atas band energi di penyebab permukaan semikonduktor