【正文】 GS（ 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 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。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。 （ 4）溝道內的擴散電流比電場引起的漂移電流小得多，且溝道內載流子的遷移率為常數(shù)。 ]})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。 （ 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。 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。 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。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 75 飽 和 區(qū)電 流 中國科學技術大學物理系微電子專業(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’ 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 77 ? 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。一般把柵壓低于閾電壓時的漏電流稱為亞閾電流。因而這一電流和 N— P— N雙極晶體管基區(qū)的情況類似。但漏結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到 108A的數(shù)量級。 對四種類型的 MOSFET，上述輸出特性曲線和轉移特性曲線均可以從晶體管特性圖示儀上直接觀測到。 ][1)(0thGSGSOXnVDDSon VVCZLIVRDS ?????? ? ?Ron與溝道的寬長比（ Z/L）成反比。在短溝道器件中 ,為了獲得長溝道的電學性能，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米能級的電子就可能隧穿二氧化硅的禁帶而進入金屬柵極，從而增大了柵電流。 CVGSDm DSVIg???? 中國科學技術大學物理系微電子專業(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 ?? ? 中國科學技術大學物理系微電子專業(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。當柵壓升高時，跨導隨柵壓增大而上升速率變慢。 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* 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 102 ? 提高跨導的關鍵是增大 β 因子。 GSDS VVBSDm VIg,??? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 104 （ 3）非飽和區(qū)的漏電導 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。])(2[)(21ADSa tDSsthGSGSOXnDSSqNVVLVVZCI ???? ???139。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?？紤]寄生參數(shù)后，可以得到較完整的等效電路。又稱為增益帶寬乘積 。 ? 提高跨導 截止頻率 ω gm，應選用遷移率大的 p型材料作襯底，縮短溝道長度和減小閾值電壓。 中國科學技術大學物理系微電子專業(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 中國科學技術大學物理系微電子專業(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。這樣，當漏源電壓增加時，耗盡區(qū)內的電場強度亦隨之增加，必然引起溝道內的感生電荷相應地增加，以終止更多的電力線。當溝道長度較長，襯底電阻率又較低時， ?L很小，IDSS’趨近于飽和。因此空間電荷有關項中的 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。 ? 可以證明：由于高場遷移率的影響， gm下降為弱場時的 ? 當 VDS增大到溝道電場達到 EC時，載流子漂移速度達到極限值 vSL，跨導達到最大值： LVvDSSLn??11SLoxDSoxnm vZCVCLZg ?? ? 中國科學技術大學物理系微電子專業(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。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 99 （ a）柵源電壓對跨導的影響 實驗發(fā)現(xiàn)，飽和區(qū)跨導 gm隨 VGS上升而增加，但 VGS上升到一定值時， gm反而會下降。故跨導是一個重要參量。 所以當其上加上電壓后 ,柵極電流非常小。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。這是由于襯底偏壓愈大， VT愈高，造成 IDS愈小的結果。 S越小，器件導通和截止之間的轉換越容易，說明亞閾值區(qū)特性越好。如果在整個溝道長度范圍內，柵壓引起的表面勢 φS 近似為常數(shù)，對于源端的半導體表面勢為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，源端到漏端逐漸變弱，從而使溝道的源端和漏端出現(xiàn)載流子濃度差而產(chǎn)生擴散電流。事實上，當半導體表面發(fā)現(xiàn)反型時（當然沒有達到強反型條件）就會有漏電流流動。 ? 飽和區(qū)工作的漏電流表達式 ： 2)( )(2 thGSGSOXnD S S VVCLZI ?? ?在飽和區(qū)，漏電流與漏電壓 VDS無關。 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。 ????? LVVVCLQ TGSoxn很容易看的出來 TGS VVLV ??)39。當（ 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)。 ? 該式表明， MOSFET的漏電流是柵電壓 VGS和漏電壓 VDS的函數(shù)。 （ 2）溝道區(qū)不存在復合一產(chǎn)生電流。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 58 b) 改變氧化層厚度 場區(qū)的閾值電壓 VT高達幾十伏，比柵壓大一個數(shù)量級 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 59 ? 由于 Qox總呈現(xiàn)為正電荷效應，因此常規(guī)工藝作出的 P溝 MOSFET的閾值電壓只能是負的，即總是增強型的。 P溝器件的反向襯底偏壓要求 VBS0。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 49 ? 緩變溝道近似（ GCA） 假定電場沿溝道方向的分量比垂直分量要小很多，稱為緩變溝道近似。 當表面達到強反型時，電子積累層將在源漏之間形成導電溝道。在 P型襯底上也做一個金屬電極，稱為襯底接觸，又叫第二柵極，用B表示。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 41 167。 ss xdxd?? )(22 ???當 半 導 體被耗 盡 ，由 積 分泊松方程得表面耗 盡區(qū) 中的 靜電勢 分布： 21 ?????? ????Wxs表面 勢 s?為 : SAsWqN?22 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 28 強反型出 現(xiàn) 的判 斷標 準是 : ????????????iABs nNqkTin v ln22)(表面耗 盡層 最大 寬 度 為 ： AiAsABsmqNnNkTqNW??????