为什么NMOS的栅极材料功函数要接近4.1eV,而POMS的要接近5.2eV?

VicWang

向各位请教个问题，

        最近有个问题忽然间优点困惑，关于MOS栅极的功函数
        大家常说“The metal gate for NMOS transistors requires a work function close to the conduction band of Si (~4.1 eV) and the PMOS transistor needs a metal gate with a work function close to Si valence band (~5 eV)”  --《Work Function Setting in High-k Metal Gate Devices》
   但是为什么是这样呢？如果按照下面的能带图来看，NMOS（P-sub）在栅极功函数接近导带的情况下，表面电子累积，这样不就造成电路导通了吗？反而是当栅极功函数接近价带的时候，基底表面才会向上弯曲，从而实现沟道关闭。
        但是这样又和实际情况不符合，感觉哪里思路不对，请各位给点指点！

                               
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                                         (a)                                                                                                         (b)
                                           P型衬底MOS结构加零栅压时的能带图（a）N+ poly gate   (b) P+ poly gate

PN_Allen

简单的讲，N/PMOS的栅极功函数材料选择是为了达到一个数值上较低的阈值电压（低于1V）这样一个目的来进行的。

你可以写下阈值电压的公式推一下，功函数差 要怎样，才能实现阈值电压比较低。

图也没错，N+ poly于P-sub接触达到热平衡之后，表面会呈现本征甚至弱反型的状态。

可以翻一下胡正明的modern semiconductor devices for integrated circuits，我记得里面有讲过。

VicWang

PN_Allen 发表于 2024-8-20 11:52
简单的讲，N/PMOS的栅极功函数材料选择是为了达到一个数值上较低的阈值电压（低于1V）这样一个目的来进行的 ...

胡正明的那本书上确实有提到这个，但是不是很详细。

不过昨天我又想了一下，发现之前忽略的一个问题。
那就是之前原帖中提到的能带确实会弯曲，但是应该并未弯曲到2φfb。
这个时候表面弱反型尚未达到阈值电压。这种情况下只需要再施加一个不大的电压便能开启沟道。
至于这么设计的原因应该是为了降低VDD，从而降低功耗。

layout_worker

根据阈值电压的公式和功函数差的定义，nmos就是为了增加功函数的差值，功函数差是负的，减小阈值电压
pmos就要减小功函数差值，功函数差是正的，减小阈值电压