【正文】 ?????ln2)2(2??同 時(shí) ， )2(2 BAssc NqQ ??? ? 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 29 表面 電 荷和表面 勢 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 30 Si和 GaAs最大耗 盡區(qū)寬 度 Wm 與摻雜濃 度 NB的 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 31 理想 MOS曲 線 Qm Depletion region x w d Qn qNA )(xs?EF EC Ei 0qV0?VBq?sq?jxEF Inversion region Ev QS Neutrals region 能 帶圖 (ptype substrate) 反型 時(shí)電 荷分布 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 32 )(x?d 0 w x 0?? ?oxsQ電場 分布 d v0 v s?w x 0 )(x?電勢 分布 沒有功函數(shù)差時(shí)，外加電壓分為兩部分： sVV ??? 0000 CQdV 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 33 低 頻電 容 低 頻 或準(zhǔn) 靜態(tài) 下， 多子和少子能跟得上交變 信 號 的 變 化， 達(dá) 到 靜態(tài) 平衡。 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 26 ? 反型使得能帶向下彎曲，當(dāng)半導(dǎo)體表面處的本征費(fèi)米能級 Ei不是比費(fèi)米能級 EF低很多時(shí)，反型層中的電子仍然相當(dāng)少，基本上和本征載流子濃度 ni同數(shù)量級。 ? 由于 Q0是不變的，因此 mSSoxGBV ??? ???SoxGBV ?? ?????00 ??? Q SGoxoxG CQ ??0???? SG 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 16 半導(dǎo)體表面狀態(tài) 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 17 積累 : Qm QS d x 電 荷分布 ? ? kTEEiPFienP ??x E(X) 電場 分布 靠近 氧 化 層 的半 導(dǎo) 體表面形成空穴 積 累 積累情況下能帶圖及電荷分布 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 18 耗 盡 : EF Vg0 EF Ev Ec Ei WqNQ Asc ??電 荷分布 E(X) x 電場 分布 x w Qm d )(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 19 強(qiáng)反型 : ? ? kTEEip iFenn?? 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 20 強(qiáng)反型 : x wm Qm d Qn Qsc Charge Distribution mAnss WqN ????Electric Field x E(x) 一旦反型 層 形成，能 帶 只要再向下 彎 一點(diǎn)點(diǎn)， 對應(yīng) 于耗盡層寬 度增加很小，就 會 使反型 層內(nèi) 的 電 荷 Qn大大增加，因此表面耗 盡層寬 度 達(dá) 到最大 值 Wm。 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 13 ? 為簡化分析，常假定它們都固定在 SiO2/Si界面上，其面密度為 Q0，對 SiO2/Si系統(tǒng)，無論是 p型襯底或n型襯底， Q0總是正的，在現(xiàn)代工藝水平下可低至1010C/cm2。對于多晶硅柵，應(yīng)以多晶硅的費(fèi)米勢表示，多晶硅作柵一般是高摻雜的，因此費(fèi)米能級靠近導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)?，此時(shí) 即， 其中， p型?。?， n型取－。 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 9 平帶電壓 ? 在 MOS結(jié)構(gòu)中，金屬和半導(dǎo)體之間因功函數(shù)差而產(chǎn)生一定的固有電壓，并造成半導(dǎo)體能帶彎曲，如果金屬對半導(dǎo)體加相反電壓使之平衡其固有電壓，則半導(dǎo)體表面和體內(nèi)一樣，能帶處處平坦。 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 4 ? 場效應(yīng)晶體管與雙極晶體管相比也存在一些缺點(diǎn)： （ 1）工藝環(huán)境要求高； （ 2）場效應(yīng)管的速度比雙極晶體管的速度低等。雙極晶體管是電流控制器件，而場效應(yīng)晶體管則是電壓控制器件。 MOSFET的開關(guān)特性 167。 MOS結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)及 MOS二極管 167。 短溝道 MOSFET 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 2 簡介 ? MOSFET在半導(dǎo)體器件中占有相當(dāng)重要的地位，它是大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路中最主要的一種器件。一般為 1010Ω的數(shù)量級，最高可達(dá) 1013Ω，這有利于放大器各級間的直接耦合，且只需要很小的前級驅(qū)動電流，并可與多個(gè) FET并聯(lián)； （ 2）場效應(yīng)晶體管的輸入功耗很??； （ 3）溫度穩(wěn)定性好；因?yàn)樗嵌嘧悠骷潆妼W(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化。目前主要采用多晶硅或難熔金屬硅化物。 ? 因此實(shí)際 MOS結(jié)構(gòu)，平帶電壓分為兩部分： VFB=VFB1+VFB2。 ? 氧化物固定電荷 Qf：位于 SiO2/Si界面約 30197。當(dāng)柵對襯底的外加電壓 VGB不等于平帶電壓 VFB時(shí)，半導(dǎo)體將出現(xiàn)表面電荷層，在它之外的半導(dǎo)體內(nèi)部都是電中性的，表面層上的電勢降落稱為表面勢 ΨS，規(guī)定電勢降落的方向由表面指向體內(nèi)，由此，表面電勢高于體內(nèi)時(shí)， ΨS為正，反之為負(fù)。這是“表面耗盡”和“表面反型”兩種狀態(tài)的分界； （ 3） φS=2φB時(shí)，是“弱反型”和“強(qiáng)反型”的分界。 ? 一般人們常用的最好標(biāo)準(zhǔn)就是“強(qiáng)反型”條件（或稱“強(qiáng)反型”近似）。 高 測 量 頻 率下，增加的 電 荷出 現(xiàn) 在耗 盡區(qū)邊緣 ，反型 層電 荷跟不上交 變 信 號 的 變 化。 ? 這類器件包括： 絕緣柵場效應(yīng)晶體管（ IGFET）； 金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ MISFET）； 金屬－氧化物－半導(dǎo)體晶體管（ MOST）。一般情況下，源和襯底是短接的，故也取為零電位。 ? 閾值電壓 VT 使襯底表面（半導(dǎo)體表面）強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵壓 VG稱為閾值電壓。大多數(shù)應(yīng)用中需要增強(qiáng)型器件（對于 NMOS比較困難）。當(dāng) dox增加時(shí)，柵壓對半導(dǎo)體表面的控制作用減弱，為使表面形成導(dǎo)電溝道，需要更大的柵壓即閾值電壓 VT增加。 ? 閾電壓與氧化層電容（ COX）還有關(guān)系，減小厚度以增大電容就可以降低閾電壓。 （ 5）強(qiáng)反型近似，即當(dāng)半導(dǎo)體表面能帶彎曲量為 2ΦB，溝道開始導(dǎo)電。 ? 當(dāng) VDS很小時(shí)，滿足 VDS??（ VGSVT），則可簡化為 ]2)[(2)(DSDSthGSGSOXnDVVVVCLZI ??? ?DSthGSGSOXnD VVVCLZI )()(?? ? 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 66 線 性工作 狀態(tài) 近似 為 阻 值 恒定的 歐 姆 電 阻 線 性 區(qū) (VDVDsat) DD VI ?)(0t a n TGntc o n sVDDD VVCLZVIgG ?????? ?Dntc o n sVGDD VCLZVIgD 0t a n ??????)(0 TGnD VVCLZI ?? ? 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 67 ? 當(dāng) VDS??фB時(shí)，隨著 VDS稍有增大時(shí)，溝道壓降也上升，使柵絕緣層上壓降從源端到漏端逐漸下降，致使反型層溝道逐漸減薄。 現(xiàn)在一般用溝道漏端夾斷來解釋長溝道器件 VDSVDsat時(shí)的漏極電流飽和現(xiàn)象。夾斷區(qū)是已耗盡空穴的空間電荷區(qū)，電離受主提供負(fù)電荷，漏區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)中的電離施主提供正電荷，它們之間建立沿溝道電流流動方向（ y方向）的電場和電勢差，漏區(qū)是高摻雜的，漏區(qū)和夾斷區(qū)沿y方向看類似于一個(gè) N+P單邊突變結(jié)，結(jié)上壓降增大時(shí)空間電荷區(qū)主要向 P區(qū)一側(cè)擴(kuò)展。但對于一般長溝道器件來說，漏耗盡區(qū)寬度和溝道長度相比可以忽略。 ? 從實(shí)際 MOSFET的輸出特性來看，在飽和區(qū)的特性曲線有一定的傾斜，即 ID并不飽和。對應(yīng)的工作區(qū)稱為亞閾區(qū)。 N溝 MOSFET的亞閾電流主要就是由溝道中這一擴(kuò)散電流分量決定。 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 87 特性曲線 ? 輸出特性曲線：輸出端電流 IDS和輸出端電壓 VDS之間的關(guān)系曲線。 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 91 直流參數(shù) ? MOSFET的直流參數(shù)有閾電 壓 VT，飽和漏電流 IDSS，截止漏電流，導(dǎo)通電阻 Ron，柵電流以及漏 — 源擊穿電壓，穿通電壓和柵一源擊穿電壓等。在 MOS集成電路中亦用它作為負(fù)載電阻，在功率 MOSFET中， Ron 的大小決定了器件的功耗。 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 95 ⑤ 最大耗散功率 PCM ? MOSFET的耗散功率為 PC=VDS IDS ? 耗散功率將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使器件溫度上升，從而其性能變壞，甚至不能正常工作。因此，為了得到高跨?dǎo)的 MOSFET，在給定材料和氧化層厚度的條件下，必須增加溝道的寬長比（ Z/L），且主要是增大溝道寬度，以獲得所需的漏極電流和跨導(dǎo)值。這是由于 μ n隨柵電場增強(qiáng)而下降，對 VGS的增大起補(bǔ)償作用的結(jié)果。 ? 提高 β 因子從以下幾個(gè)方面： ① 提高載流子溝道遷移率，即選用高遷移率材料，并用表面遷移率高的晶面。 GSVDSDd VIg???)( )( DSthGSGSd VVVg ??? ?線性區(qū)中： mSthGSGSdL gVVg ??? )( )(? 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 105 （ 4）飽和區(qū)的漏電導(dǎo) 理想情況下， ID與 VDS無關(guān)，飽和區(qū)的 gd應(yīng)為零，即輸出電阻無窮大。 )1( ???? LLII D Sa tD SSDSD S a tD S a t dVLdLLLIg )()1( 239。漏區(qū)起著第二柵的作用。 ? 其中串聯(lián)電阻主要來源于漏區(qū)和源區(qū)的體電阻和歐姆接觸電阻。 ??????????????????飽和區(qū)（非飽和區(qū)224)3222LVVLVZ L CgCgfTGSnDSnoxmgsmT??????提高 MOSFET的截止頻率的關(guān)鍵是減小溝道長度，但 L的減小將受到源漏穿通和短溝道效應(yīng)（后述）的限制。 ? 跨導(dǎo)截止頻率實(shí)際上來源于通過等效溝道電阻對柵源電容充電的延遲時(shí)間。 ? 當(dāng)短溝道器件工作在閾值電壓附近時(shí)， DIBL效應(yīng)非常嚴(yán)重。這相當(dāng)于漏一溝道間有相當(dāng)大的耦合電容存在。 ? 發(fā)生這一效應(yīng)后，漏耗盡區(qū)向源端的擴(kuò)展量 ?L可按單邊突變結(jié)理論求出，即 ? 則有效溝道長度為 210 ])(2[AD S atDSs qNVVL ??? ??210 ])(2[AD S atD