【正文】 ? 飽和區(qū)電流－柵壓方程雖然形式簡單，但在實際中用它設計 MOSFET時，對漏電流的計算結果與實際結果吻合得很好。這樣，溝道載流子對漏電流的貢獻就和剛夾斷時一樣，這些溝道載流子一旦到達漏耗盡區(qū)邊界就立即被耗盡區(qū)電場掃入漏區(qū)而形成漏極電流。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 74 ? 當漏電壓在 VDSat的基礎上繼續(xù)增大時，漏耗盡區(qū)增寬，使夾斷點 y的位置稍許向源端移動。考慮到 VDVDsat未夾斷區(qū)壓降始終等于 VGSVT，所以漏極電流恒定不變，這就是電流飽和。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 72 其次，當 VDVDsat時，超過 VDsat的那部分外加電壓，即VDSVDsat，降落在夾斷區(qū)上。 設想夾斷點移動到 y=L’，則有 ? ? ? ?? ? 039。 （ c） 飽 和 區(qū) 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 69 夾斷 點 P The thickness of inversion xi (y=L) =0 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 70 溝道漏端夾斷的 nMOSFET 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 71 從另一方面來看，溝道漏端 ? ? ? ?? ?LVVVCLQ TGSoxn ????VDS=VDsat=VGSVT時， Qn(L)=0這種情況叫做漏端溝道夾斷。由于 V(y)沿 y方向增大，所以在漏端（ y=L處） V(L)=VDS。 ]})2()2[()2(132 )212{()(232321000BBDSAsOXDSDSBFBGSOXnyVnnDVqNCVVVVCLZdydVyZQIDS?????????????????? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 64 （ a） 線 性 區(qū)電 流 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 65 ? 線性區(qū)工作的直流特性方程，由薩支唐首先提出，故常稱為薩氏方程。 （ 8）采用肖克萊的緩變溝道近似，即假設跨過氧化層的垂直于溝道方向的橫向電場 Ex比沿著溝道 y方向的縱向電場 Ey大得多。 （ 4）溝道內(nèi)的擴散電流比電場引起的漂移電流小得多，且溝道內(nèi)載流子的遷移率為常數(shù)。為數(shù)學處理上的方便，就 MOSFET的基本物理模型作如下假設： （ 1）一維近似。在 NA（或 ND）襯底摻雜一定時， Qox過大將會使器件由增強型變?yōu)楹谋M型，因此減少氧化層電荷，降低 MOSFET的 VT是制作高性能器件的一個重要任務。場區(qū)的閾值電壓可高達幾十伏，比柵壓大一個數(shù)量級，適用于 MOS器件之間的隔離。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 56 ? ?BBSBAsT VC qNV ?????? 2220? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 57 ? 氧化層厚度對 VT也有影響。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 54 a) 離子注入到溝道表面內(nèi) 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 55 ? 施加反向襯底電壓也能調(diào)整 VT，對 n溝器件，這時溝道源端在強反型時的耗盡層電荷為： ? 其中， VBS表示襯底相對于源端的外加電壓。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 50 閾值電壓 ? 閾值電壓 VT應當由三部分組成： （ 1）抵消功函數(shù)差和有效界面電荷的影響所需柵壓即平帶電壓 VFB （ 2）產(chǎn)生強反型所需表面勢 фS=2фB （ 3）強反型時柵下表面層電荷 Qs在氧化層上產(chǎn)生的附加電壓，通常近似為 OXBBCQ )2( ??OXFBBFBT CQVV )2(2 ?? ??? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 51 ? 對 NMOS， ? 對 PMOS， iAB nNqkT ln??2121)(m a xm a x)4( )2(BAsi n vsAsdABqNqNxqNQ?????????iDB nNqkT ln???21m a xm a x )4( BDsdDB qNxqNQ ?????OXFBBOXoxmsOXFBBFBT CQCQCQVV )2(2)2(2 ????? ??????? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 52 ? 上式中各參量符號對 VGS（ th） 的影響 MOSFET類型 襯底材料型號 φms φB QB QOX VGS（ th） N溝MOSFET P + + ?0(增強 ) ?0(耗盡 ) P溝MOSFET N + + ?0（增強） 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 53 ? 在 MOS集成電路的設計和生產(chǎn)中， VT的控制很重要。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 47 MOSFET分 類 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 48 非平衡狀態(tài) ? MOS二極管中，有柵壓存在時，金屬的 EFM和半導體的 EFp不再一致， EFM EFM=qVGB但因為沒有電流流動，半導體從表面到體內(nèi)仍具有統(tǒng)一的費米能級，即仍處于平衡狀態(tài)。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 46 ? MOSFET能工作的關鍵是半導體表面必須有導電溝道，而表面達到強反型時才有溝道。 VGS0時，此電壓將在柵氧化層中建立自上而下的電場，從柵極指向半導體表面，在表面將感應產(chǎn)生負電荷。 ? 在以后的討論中，都是把源電極作為參考電極，令其為零電位。在溝道區(qū)的半導體表面熱生長一層二氧化硅薄膜作為柵介質(zhì)。 ? 對于微處理器、半導體存貯器等超大規(guī)模集成電路來說是最重要的器件，也日益成為一種重要的功率器件。通過 C－ V特性的測量，可以了解半導體表面狀態(tài)，了解 SiO2層和 SiO2/Si界面各種電荷的性質(zhì)，測定 Si的許多重要參數(shù)（如摻雜和少子壽命等）。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 36 低 頻 下，表面耗 盡區(qū) 的 產(chǎn) 生－ 復 合率相等，或者比 電壓變 化快， 電 子 濃 度的 變 化能跟得上交 變 信 號 的 變 化， 導致 電 荷在 測 量信 號 的作用下與 反型 層 相交 換 ， 測 量 結 果與 理 論計 算相一致。這就是“強反型”條件。為在表面形成實用的 N型溝道，就必須規(guī)定一個實用的反型標準。這一反型層與 P型襯底之間被耗盡層隔開，它是 MOSFET的導電溝道，是器件是否正常工作的關鍵。這是“表面積累”和“表面耗盡”兩種狀態(tài)的分界； （ 2） φS=φB時， Ei和 EF在表面處相交，表面處于本征狀態(tài)。由于 φmS與外加電壓無關，因此柵襯底偏壓VGB改變 ΔVGB時， ? 電荷平衡方程（電中性條件） 其中， QG是柵電荷， ， QS為表面層電荷， Q0是有效界面電荷。 mS?oxFB CQV 02 ??oxoxox dC?? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 14 表面勢 ΨS ? 氧化層下的半導體表面通常簡稱表面。 ? 可動離子電荷 Qm：如 Na＋ 等堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們可以在氧化層內(nèi)移動。 ? 界面陷阱電荷 Qit：歸因于 SiO2/Si界面性質(zhì)，并取決于該界面的化學組分，在 SiO2/Si界面上的陷阱，其能級位于硅禁帶之內(nèi)，和晶面取向有關。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 11 ? 多晶硅是一種十分重要的柵極材料，主要優(yōu)點是能承受器件制作中的高溫過程。 ? 對于實際的 SiO2/Si MOS二極管，在系統(tǒng)中有所謂的有效界面電荷，將在金屬和半導體內(nèi)感應極性相反的電荷，是造成半導體能帶不平的另一個原因，這時，必須再加一個電壓才能使半導體中的電荷完全消失，能帶處處拉平。 ? ? ? ? 02 ???????????? BEmsmms qqqqqq g?2）任意偏置下，二極管中只有兩部分數(shù)量相等但符號相反的電荷：半導體中的電荷和靠近氧化物的金屬表面上的電荷。 MOS結構的基本性質(zhì)及 MOS二極管 基本結構和能帶圖 MOS結構指金屬－氧化物－半導體結構： 半導體作為襯底，假定均勻摻雜； 氧化物一般為 SiO2，生長工藝簡單， SiO2 /Si的界面態(tài)密度 1010cm2（單位面積界面陷阱數(shù)）； 金屬泛指柵極材料，不僅限于金屬。雙極晶體管受輻射后非平衡少子壽命降低，故電流增益下降。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 3 ? 與雙極晶體管相比，場效應晶體管的優(yōu)點是： （ 1）輸入阻抗高。 ? 與兩種載流子都參加導電的雙極晶體管不同。 MOSFET的短溝道和窄溝道效應 167。 MOSFET的擊穿特性 167。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 1 第五章： MOS器件 167。 MOSFET的頻率特性 167。 MOSFET的溫度特性 167。它和前面介紹的 JFET、MESFET統(tǒng)稱為場效應晶體管，其工作以半導體的場效應為物理基礎。 ? 與 JFET和 MESFET柵壓控制導電溝道截面積不同， MOS器件柵壓控制的是導電溝道的載流子濃度。而雙極晶體管的 hFE（ IC）在大電流下卻很快下降； （ 5）噪聲系數(shù)小，這是因為 FET依靠多子輸運電流，故不存在雙極晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲； （ 6）抗輻射能力強。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 5 167。 V GND 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 7 理想 MOS二極管的能帶圖 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 8 理想 MOS二極管的定義： 1） 零偏壓下 ,能帶是平的 。外加的能使半導體能帶是平的電壓稱為平帶電壓 VFB。 對于給定的 MOS結構， mS? 即 VFB1，決定于 MOS結構所用的柵極材料和 半導體摻雜濃度。 eVEE iF ???VG ??? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 12 （ 2） VFB2：用來消除有效界面電荷的影響 SiO2層內(nèi)部及 SiO2/Si界面存在電荷，基本分類：界面陷阱電荷，氧化物固定電荷，氧化物陷阱電荷和可動離子電荷。 ? 氧化物陷阱電荷 Qot：和 SiO2的缺陷有關，分布在 SiO2層內(nèi)，和工藝過程有關的 Q