【正文】 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 113 （ 2）截止頻率 fT ? 定義 fT為輸出端交流短路時 MOSFET的輸出電流和輸入電流相等時的頻率。 ? 實際 MOSFET中，除了存在上述微分增量參數(shù)，即本征參數(shù)外，還存在其它非本征參數(shù) ,如漏、源串聯(lián)電阻 RD和 RS,柵－源、柵－漏寄生電容 Cgs’和 Cgd’等。因而溝道電導(dǎo)增大。 2102)(39。 gmb相當(dāng)于一個柵，又稱為“背柵” 。使實際加在溝道區(qū)的柵源電壓和漏源電壓低于外加電壓，由此導(dǎo)致實際跨導(dǎo)低于理論值。 柵壓較低時， μ n可看作常數(shù)。 ? 跨導(dǎo)的定義是：當(dāng) VDS為常數(shù)時， VGS的改變所引起 ID的變化量。對于熱生長的二氧化硅，柵電流約為 1010A/cm2，因此， MOSFET的輸入阻抗是非常高的，大約在 1014— 1016Ω,這正是單極型晶體管優(yōu)越于雙極型晶體管的重要標(biāo)志之一。 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 93 ③ 導(dǎo)通電阻 當(dāng)漏源電壓 VDS很小時， MOSFET工作在非飽和區(qū)，此時輸出特性曲線為一直線，即此時器件相當(dāng)于一個電阻，其阻值由漏極電壓 VDS與漏極電流 IDS的比值決定，定義為導(dǎo)通電阻或溝道電阻，用 Ron表示之。 ? 轉(zhuǎn)移特性曲線：表征器件柵源輸入電壓 VGS對漏源輸出電流 IDS的控制能力。 ? ?? ? 10lnlnl og110dsgsgsdsIddVdVIdS ??????????? 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 85 亞閾值斜率 S對長溝道器件有： ? ????????? ?????????????oxdmgdsCCqkTqkTdVIdS o g110 ?sgsddVqkTS??上式還可以表達為： 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 86 ? 當(dāng) MOSFET處于弱反型區(qū)時，其漏電流除了來源于弱反型溝道中載流子的擴散電流外，反偏漏結(jié)的反向電流也是其組成部分。在漏源電壓作用下就會有漏電流流過溝道。比較理論和實驗曲線可知，當(dāng)柵電壓低于低于閾電壓時，漏電流存在，只不過它具有較小的值。它只是柵電壓 VGS的函 數(shù)，當(dāng)柵壓固定時， IDSS為一常數(shù)，亦即漏電流飽和。 )(2 thGSGSBFBGSDS at VVVVV ????? ?夾斷點的漏電壓 VDSat并不是常數(shù)，而是隨柵壓而增大。(由此得出結(jié)論，未夾斷區(qū)的電壓將保持等于 VGSVT不變。這種情況就稱為溝道被夾斷， y=L點被稱為夾斷點。對于給定的柵壓，漏電流隨漏電壓的增加而增大。 （ 3）反型溝道內(nèi)的摻雜是均勻的。 ? Qox對 VT影響很明顯，隨 Qox的增大， VT向負值方向增大。對 N溝器件，有： BSBb VQ ??? ?? 2)22( BBSBT VV ??? ????oxAS CqN /2 ?? ?其中， 反映襯底偏壓對 VT影響的強弱程度。 GCA在溝道長度 L柵氧化層 dox下成立，即對長溝道器件中基本適用，對短溝道器件必須慎重。此時若在漏源之間加偏置電壓 VDS，載流子就會通過導(dǎo)電溝道，從源到漏，由漏極收集形成漏電流。主要器件結(jié)構(gòu)是二結(jié)之間的距離 L；溝道寬度 Z；柵氧化層厚度 d；源漏結(jié)深度 xj；襯底摻雜濃度 NA等。 MOS場效應(yīng)晶體管的基本理論 ? MOSFET是一種表面場效應(yīng)器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。 Ptype 襯 底 積 累： )2e x p ( kTqQ ss ???????????????????sgoxsSox VqkTCddQCC211111oxCVQC ????SiCoxCQ?Q?? 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 34 耗 盡 ： dsisasisdd WqNdQdC ?? ??????2)(soxsaisoxdag CqNCWqNV ??????? ?2)2(1 2 asigoxoxqNVCCC???oxC DCQ?Q??W 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 35 反型： oxC invC????????????????sgoxsSox VqkTCddQCC211111Q?Q??wdm 一旦 發(fā) 生強反型， 對應(yīng)電 容 CSi增大，因此 總電 容 將 保持最小 值 ，基本上就是 Cox。這種情況稱為“弱反型”。 )(x? 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 21 表面耗 盡區(qū) －半 導(dǎo) 體 內(nèi)靜電勢為 0， 參 考零點取本征 費 米能 級 Ei ? 0??在半 導(dǎo) 體表面 s??? )0(EF Ei Semiconductor surface EC Ev Eg Bq?sq?Oxide x Ptype silicon )(xq?0??s 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 22 表面 處載 流子 濃 度 為 : kTqiS Bsenn )( ????kTqiS sBenp )( ???? 表面 勢 分 為 以下幾 種 ： 0??s 空穴 積 累 (能 帶 向上 彎 曲 ) 0??s平 帶條 件 0???? sB 空穴耗 盡 (能 帶 向下 彎 曲 ) Bs ???本征 狀態(tài) ns=np=ni Bs ??? 反型 (能 帶 向下 彎 曲 ) 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 23 表面勢列表 φS 柵壓 表面載流子濃度 表面狀態(tài) 表面能帶 φS?0 VG?0 ns?n0, ps?p0 空穴積累 向上彎曲 φS=0 VG=0 ns =n0, ps= p0 中性表現(xiàn) 平帶 φB?φS?0 φB?VG?0 ns ?n0, ps ?p0 空穴耗盡 向下彎曲 φB=φS?0 VG=φB?0 ns=ps=ni 本征表面 向下彎曲 (Ei與 EF在表面相交 ) 2φB?φS?φB VG?φB ns?ps 弱反型 向下彎曲 (Ei在表面內(nèi)與 EF相交 ) φS≥2φB VG≥2φB ns≥p0?ps 強反型 向下彎曲 (Ei— EF)體內(nèi) =(EF— Ei)表面 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 24 ? 討論： （ 1）表面勢 φS=0時，表面與體內(nèi)的電勢相同，即為平帶條件。 Q0將在金屬和半導(dǎo)體中感應(yīng)極性相反的電荷 Q0，因此必須在金屬上提供全部所需的Q0，即除了 ，還有： ? 電源的負極與金屬相連， Cox是柵氧化層的單位面積電容， 其中 εox、 dox分別為柵氧化層的介電常數(shù)和厚度。 eVEE iF ???VG ??? 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 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。外加的能使半導(dǎo)體能帶是平的電壓稱為平帶電壓 VFB。 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 5 167。 ? 與 JFET和 MESFET柵壓控制導(dǎo)電溝道截面積不同， MOS器件柵壓控制的是導(dǎo)電溝道的載流子濃度。 MOSFET的溫度特性 167。 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 1 第五章： MOS器件 167。 MOSFET的短溝道和窄溝道效應(yīng) 167。 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 3 ? 與雙極晶體管相比，場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點是： （ 1）輸入阻抗高。 MOS結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)及 MOS二極管 基本結(jié)構(gòu)和能帶圖 MOS結(jié)構(gòu)指金屬－氧化物－半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)： 半導(dǎo)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。 ? 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(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)極性相反的電荷，是造成半導(dǎo)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(dǎo)體中的電荷完全消失，能帶處處拉平。 ? 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(xué)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(guān)。 mS?oxFB CQV 02 ??oxoxox dC?? 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 14 表面勢 ΨS ? 氧化層下的半導(dǎo)體表面通常簡稱表面。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)。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(biāo)準(zhǔn)。 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 36 低 頻 下，表面耗 盡區(qū) 的 產(chǎn) 生－ 復(fù) 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(dǎo)致 電 荷在 測 量信 號 的作用下與 反型 層 相交 換 ， 測 量 結(jié) 果與 理 論計 算相一致。 ? 對于微處理器、半導(dǎo)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。 ? 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。 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 46 ? MOSFET能工作的關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)電溝道，而表面達到強反型時才有溝道。 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 50 閾值電壓 ? 閾值電壓 VT應(yīng)當(dāng)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(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)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 V