【正文】 應(yīng)，因此常規(guī)工藝作出的 P溝 MOSFET的閾值電壓只能是負(fù)的，即總是增強(qiáng)型的。但過薄的氧化層給工藝帶來更多的困難（如增加針孔等），可以選用介電常數(shù)更高的介質(zhì)材料，如氮化硅（相對介電常數(shù)為 ）介質(zhì)就是一例。 （ 2）溝道區(qū)不存在復(fù)合一產(chǎn)生電流。 （ 6）溝道與封底間的反向飽和電流很小，可以忽略不計。 ? 該式表明， MOSFET的漏電流是柵電壓 VGS和漏電壓 VDS的函數(shù)。考慮到溝道壓降影響，可得薩氏方程 ? 由此可以看出 ID的上升會變緩，特性曲線變彎曲狀。當(dāng)（ VGSVDS）小于閾電壓時，在漏端（ L處）就不存在反型溝道了，而代之以耗盡區(qū)的出現(xiàn)。這需要從幾個方面來加以說明。 ????? LVVVCLQ TGSoxn很容易看的出來 TGS VVLV ??)39。所以當(dāng)夾斷區(qū)上電壓降（ VDSVDsat） 增大時，夾斷區(qū)長度 擴(kuò)大，有效溝道長度 L’縮短。 對于中等程度以下的摻雜濃度的襯底及薄氧化層的情況， k2??1。因此可以近似認(rèn)為溝道長度和溝道電阻都不變化。 ? 飽和區(qū)工作的漏電流表達(dá)式 ： 2)( )(2 thGSGSOXnD S S VVCLZI ?? ?在飽和區(qū)，漏電流與漏電壓 VDS無關(guān)。漏電流 ID隨漏電壓 VDS變大的主要原因有兩個： （ 1）是溝道長度調(diào)變效應(yīng)； （ 2）是漏區(qū)與溝道區(qū)之間的靜電反饋效應(yīng)。事實上，當(dāng)半導(dǎo)體表面發(fā)現(xiàn)反型時（當(dāng)然沒有達(dá)到強(qiáng)反型條件）就會有漏電流流動。 ? 亞閾電流的存在，使器件截止時的漏電流增大，影響器件作為開關(guān)應(yīng)用時的開關(guān)特性，并增大了靜態(tài)功耗。如果在整個溝道長度范圍內(nèi)，柵壓引起的表面勢 φS 近似為常數(shù)，對于源端的半導(dǎo)體表面勢為φS ，則加上漏源電壓時，溝道中源端和漏端的能帶彎曲量就不同了，源端到漏端逐漸變?nèi)酰瑥亩箿系赖脑炊撕吐┒顺霈F(xiàn)載流子濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散電流。采用類似于均勻其區(qū)晶體管求集電極電流的方法就可求得 MOSFET的亞閾電流值 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 81 ? 式中 A是電流流過的截面積， n（ x）表示溝道中半導(dǎo)體表面處的電子濃度， n（ 0）和 n（ L）分別表示溝道中源端和漏端的電子濃度。 S越小，器件導(dǎo)通和截止之間的轉(zhuǎn)換越容易，說明亞閾值區(qū)特性越好。 ① 非飽和區(qū)： VDSVDsat，可調(diào)電阻區(qū) ② 飽和區(qū)： VDsatVDSBVDS，出現(xiàn)夾斷，不同柵壓對應(yīng)不同的 IDsat和 VDsat。這是由于襯底偏壓愈大， VT愈高，造成 IDS愈小的結(jié)果。 ① 飽和漏電流 IDSS 對于增強(qiáng)型 MOSFET，已經(jīng)導(dǎo)出過 對于耗盡型 MOSFET， ? ? 202 TGnD s a t VVLCZI ???????? ?22 TOXD SS VCLZI ?? ? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 92 ② 截止漏電流 對于增強(qiáng)型 MOSFET， VGS=0時，柵下不存在導(dǎo)電溝道，源擴(kuò)散區(qū)與襯底、漏擴(kuò)散區(qū)與襯底形成兩個獨(dú)立的互不相通的背靠背 pn結(jié)。一旦這種弱反型層與器件的缺陷相連或延伸到晶片周圍，就會產(chǎn)生可觀的漏極電流。因此， Ron是一個重要參數(shù)。 所以當(dāng)其上加上電壓后 ,柵極電流非常小。 ? 為保證 MOSFET正常工作而允許耗散的最大功率稱為最大耗散功率 PCM。故跨導(dǎo)是一個重要參量。 ? 還有一點(diǎn)值得注意，飽和區(qū)的跨導(dǎo)與線性區(qū)的不同，它與 VDS無關(guān)，而與柵壓 VGS成線性關(guān)系。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 99 （ a）柵源電壓對跨導(dǎo)的影響 實驗發(fā)現(xiàn)，飽和區(qū)跨導(dǎo) gm隨 VGS上升而增加，但 VGS上升到一定值時， gm反而會下降。當(dāng)柵壓增加到 μ n下降使 β 因子的減小同 VGS增大的作用完全抵消時， gm達(dá)到最大值。 ? 可以證明：由于高場遷移率的影響， gm下降為弱場時的 ? 當(dāng) VDS增大到溝道電場達(dá)到 EC時，載流子漂移速度達(dá)到極限值 vSL，跨導(dǎo)達(dá)到最大值： LVvDSSLn??11SLoxDSoxnm vZCVCLZg ?? ? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 101 （ c）源區(qū)漏區(qū)串聯(lián)電阻 RS、 RD對跨導(dǎo)的影響 實際 MOSFET中，源區(qū)、漏區(qū)都存在體串聯(lián)電阻，電極處存在歐姆接觸電阻等。 ② 制作高質(zhì)量、薄的柵氧化層，以增大柵電容 Cox ③ 盡可能采用溝道寬長 Z/L比大的版圖。因此空間電荷有關(guān)項中的 ΦS代以 ΦS＋ VBS，即可得到考慮襯底偏壓后的漏電流，從而求得襯底跨導(dǎo)。 但實際的 MOSFET，由于溝道長度的調(diào)制效應(yīng)和漏極對溝道的靜電反饋?zhàn)饔茫?DIBL），使飽和區(qū)輸出特性曲線發(fā)生傾斜，即輸出電導(dǎo)不為零，動態(tài)電阻是有限值。當(dāng)溝道長度較長，襯底電阻率又較低時， ?L很小，IDSS’趨近于飽和。 ???? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 108 （ b）漏感應(yīng)勢壘降低效應(yīng)（漏對溝道區(qū)的靜電反饋效應(yīng)） ? 對于襯底電阻率較高的 MOSFET，當(dāng) VDS?VDSat時，漏區(qū)－襯底的 PN結(jié)耗盡層寬度大于或接近于有效溝道長度。這樣，當(dāng)漏源電壓增加時，耗盡區(qū)內(nèi)的電場強(qiáng)度亦隨之增加，必然引起溝道內(nèi)的感生電荷相應(yīng)地增加，以終止更多的電力線。 ? 由于電力線會穿越漏到源，引起源端勢壘降低，從源區(qū)注入溝道的電子增加，導(dǎo)致漏源電流增加，通常稱該過程為漏感應(yīng)勢壘降低 DIBL。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 110 DSbis VV ??? DIBL leads to a substantial increase in electron injection from the source to the drain. Subthreshold current 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 111 交流小信號等效電路 ? 在交流工作狀態(tài)下，考慮器件的微分增量參數(shù) gm、 gd和 gmb等，以及各端之間存在電容，可得本征 MOSFET的小信號等效電路。寄生電容 Cgs’和 Cgd’主要來源于柵－源和柵－漏間的交疊覆蓋電容。 ? 提高跨導(dǎo) 截止頻率 ω gm，應(yīng)選用遷移率大的 p型材料作襯底，縮短溝道長度和減小閾值電壓。 另外， fT與溝道中載流子遷移率 μ成正比，所以在條件相同。又稱為增益帶寬乘積 。 （ 1）跨導(dǎo)截止頻率 ω gm ? 跨導(dǎo)下降到低頻時的 21/2對應(yīng)的頻率稱為跨導(dǎo)截止頻率?？紤]寄生參數(shù)后，可以得到較完整的等效電路。 ? DIBL是 MOS器件尺寸縮小的一個基本限制，是漏電壓 VDS引起的沿溝道方向的電勢分布使源和溝道間的勢壘降低。由于有效溝道的電壓基本維持在 VDSat值上，所以溝道電流將隨漏電壓 VDS的增大而增大，這就是漏區(qū)與溝道區(qū)的靜電反饋效應(yīng)。因此起始于漏擴(kuò)散區(qū)的電力線的一部分將通過較寬的耗盡區(qū)而終止于溝道區(qū)。])(2[)(21ADSa tDSsthGSGSOXnDSSqNVVLVVZCI ???? ???139。這種有效溝道長度隨 VDS增大而縮短的現(xiàn)象稱為有效溝道長度調(diào)變效應(yīng)。 GSDS VVBSDm VIg,??? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 104 （ 3）非飽和區(qū)的漏電導(dǎo) gd 定義 VGS為常數(shù)時， 微分漏電流與微分漏源電壓之比；表征漏源電壓對漏電流的控制能力。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 103 （ 2）小信號襯底跨導(dǎo) gmb 定義：當(dāng) VGS 、 VDS為常數(shù)時， VBS的改變所引起 ID的變化量。 加在溝道區(qū)上的實際有效漏源電壓為 )(/DSDDSDS RRIVV ???SDGSGS RIVV ??/)(1*DSdLSmmm RRgRggg???? SmmmS Rggg?? 1* 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 102 ? 提高跨導(dǎo)的關(guān)鍵是增大 β 因子。 ? 因此，實際 MOSFET在柵壓 VGS比較高時，跨導(dǎo) gm反而隨 VGS增大而下降。當(dāng)柵壓升高時，跨導(dǎo)隨柵壓增大而上升速率變慢。 ? 當(dāng)溝道長度 L很小或柵氧化層厚度 d很薄時，跨導(dǎo)可能變得非常大。 CVGSDm DSVIg???? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 97 ? 線性區(qū)： ? 非線性區(qū)： ? 飽和區(qū)： DSthGSGSOXnD VVVCLZI )()(?? ?]2)[(2)(DSDSthGSGSOXnDVVVVCLZI ??? ?DSDSoxnm VVCLZg ?? ??DSm Vg ??2)( )(2 thGSGSOXnD S S VVCLZI ?? ?)( )( thGSGSm VVg ?? ? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 98 ? 線性區(qū)和飽和區(qū)的跨導(dǎo)都與器件的溝道長度 L和柵氧化層厚度 d成反比，而與溝道寬度 Z成正比。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 96 167。在短溝道器件中 ,為了獲得長溝道的電學(xué)性能，往往要求柵氧化層厚度很薄，這時，能量接近于金屬柵電極費(fèi)米能級的電子就可能隧穿二氧化硅的禁帶而進(jìn)入金屬柵極，從而增大了柵電流。由于金屬柵極與半導(dǎo)體層隔著一層絕緣性能良好的柵氧化層，所以 RGS主要就是柵極下 SiO2層的絕緣電阻。 ][1)(0thGSGSOXnVDDSon VVCZLIVRDS ?????? ? ?Ron與溝道的寬長比（ Z/L）成反比。這個電流就叫做截止漏電流。 對四種類型的 MOSFET，上述輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線均可以從晶體管特性圖示儀上直接觀測到。 ④ 雪崩區(qū)：由于反向偏置的漏－襯底結(jié)雪崩倍增而擊穿，致使 IDS急劇增大。但漏結(jié)的反向電流通常只有 1012A的數(shù)量級，而弱反型的溝道電流都可以達(dá)到 108A的數(shù)量級。 LLnnqA DdydnAqDInnD)()0( ??????)e x p ()0( 0 kTqnn s??])(e xp[)( 0 kTVqnLn DSs ?? ? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 82 ? 定義為有效溝道厚度 deff：反型層內(nèi)表面勢φS下降 KT/q時的距離。因而這一電流和 N— P— N雙極晶體管基區(qū)的情況類似。亞閾電流對短溝道 MOSFET的影響更明顯。一般把柵壓低于閾電壓時的漏電流稱為亞閾電流。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 78 亞閾區(qū)電流 — 電壓特性 ? 上面導(dǎo)出的 MOSFET的電流 — 電壓方程使用了強(qiáng)反型條件。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 75 飽 和 區(qū)電 流 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 76 飽 和 區(qū) (VDVDsat) ID=constant ? ? 202 TGnD s a t VVLCZI ???????? ?0t a n ???? ? tc o n sVDDD GVIg? ?TGoxntc o n sVGDm VVdLZVIgD ????????t a nL L’ 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 77