【正文】 Sse f f qNVVLLLL ?????? ?? 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 107 ? 對(duì)于溝道長(zhǎng)度較短，而襯底電阻率又較高的MOSFET，其溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)顯著，漏電流隨VDS的增大而增大，呈現(xiàn)出不飽和的漏特性。 當(dāng)在 MOSFET襯底上加反向偏壓 VBS時(shí)，表面最大耗盡層寬度也隨之展寬，表面空間電荷面密度也增大。 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 100 （ b）漏源電壓對(duì)跨導(dǎo)的影響 當(dāng)漏源電壓較高，漏電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)使載流子遷移率下降，漏電流減小。然而實(shí)際研究結(jié)果表明，跨導(dǎo)的理論最大極限值為（ qI/KT）。 MOSFET的頻率特性 低頻小信號(hào)參數(shù) （ 1）柵跨導(dǎo) gm ? MOSFET的輸出電流（漏電流）隨輸入電壓（柵電壓）的變化而變化，所以通常用跨導(dǎo) gm來描述 MOSFET的小信號(hào)放大性能。只要柵氧化層上沒有嚴(yán)重的缺陷， RGS一般都可以達(dá)到 109Ω以上。對(duì)于 N溝 MOSFET，在二氧化硅絕緣層中總是存在正電荷，如果正電荷密度很高，就可能在柵氧化層或場(chǎng)氧化層下面感應(yīng)出微弱的反型層，產(chǎn)生表面漏電流。 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 88 nMOSFET的輸出特性曲線 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 89 MOSFET 理想漏電 特性 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 90 ? 襯底偏置電壓 VSB對(duì)輸出特性曲線有影響： 相同的 VGS， VSB越大， IDS越小。 ? 故亞閾值（弱反型）電流表達(dá)式為： seff qEkTd ?2100 )/2(/ ssAsBs qNQE ????? ???)1()2()(22102kTqVkTqAisAsnDDSseeNnqNqqkTLZI ??? ????? 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 83 亞閾值區(qū)漏電流主要為擴(kuò)散電流 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 84 ? 為表征亞閾值電流隨柵壓的變化，引入亞閾值斜率參數(shù) S： ? 表示 ID改變一個(gè)數(shù)量級(jí)所需要的柵壓擺幅。 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 79 弱反型（亞閾值）區(qū) VGSVT 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 80 ? 當(dāng)柵電壓 VGS低于閾電壓，半導(dǎo)體表面弱反型時(shí)，柵下 P型半導(dǎo)體表面的電子濃度 表面的空穴濃度，但 體內(nèi)的空穴濃度，故溝道中的可動(dòng)載流子濃度很小，且源端和漏端的電子數(shù)相差很多。該條件認(rèn)為只有在柵電壓等于或大于閾電壓時(shí)才有電流流過溝道。所以夾斷后的漏電流與漏電壓無關(guān)，保持常數(shù)。 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 73 ? 溝道夾斷時(shí)的漏電壓 ])1)(2(1[2 2122 ??????? k VVkVVV FBGSBFBGSD S at ?式中 210 )(1AsOXqNCk ???是一個(gè)與溝道區(qū)平均耗盡電荷及氧化層性質(zhì)有關(guān)的量。39。這里是柵與溝道間的最小電壓處，且等于 VGSVDS。也就是說，這表明沿溝道長(zhǎng)度方向的電場(chǎng)變化很慢，故有 xEyE xy?????? 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 61 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 62 ? ? 0)()( CyVyQ sGs ????? ?)(22)( yVqNWqNyQ BAsmAsc ?????? ?)()()( yQyQyQ scsn ??dxxLZg x )(10 ???dRIdV D?gLdydR ????????????????????? ?????? ???? 232300 )2()2(23222 BBGAsDDBGn VCqNVVVCLZI ?? 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 63 ? N溝道 MOSFET的基本電流一電壓方程，即一般的表達(dá)式。源區(qū)和漏區(qū)以及溝道邊緣的耗盡層都忽略不計(jì)，只考慮溝道中的電流及電壓沿 y方向的變化。 ? 為了防止寄生溝道的產(chǎn)生，場(chǎng)區(qū)必須進(jìn)行高濃度摻雜，使表面不容易反型，從而將溝道隔斷開。 N溝器件襯底為 p型， VBS0時(shí)為反向襯底偏壓。 ? 在 MOSFET中，由于源漏分別與襯底形成 pn結(jié)，器件工作時(shí)，源區(qū)、漏區(qū)及溝道具有相同的導(dǎo)電極性，因此漏區(qū)或源區(qū) pn結(jié)的反偏將導(dǎo)致表面溝道與襯底形成的 pn結(jié)也處于反偏狀態(tài)，并流過一定的反向電流，所以溝道中載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFn與襯底的費(fèi)米能級(jí) EFp分開，這就是 MOS器件的非平衡狀態(tài)。隨VGS增大， p型半導(dǎo)體表面多子（空穴）逐漸減小直至耗盡，而電子逐漸積累直至反型。然后再在柵氧化層和源漏擴(kuò)散區(qū)上制作金屬電極，分別把它們稱為柵電極（ G）、源極（ S）和漏極（ D）。 （ 2）對(duì)于 n型襯底，只需適當(dāng)改變正負(fù)號(hào)和符號(hào)， C－ V曲線相同，但互為鏡像，且 n型襯底 MOS二極管的閾值電壓是負(fù)的。 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 27 ? 和距離 x的 關(guān) 系可由一 維 泊松方程得到。反型層與襯底間的 P－ N結(jié)常稱為感應(yīng)結(jié)。單位為 C/cm2。因此，在器件制造中，要防止可動(dòng)離子的玷污。因此 Poly－ Si又可充當(dāng)源漏區(qū)的掩模，得到?jīng)]有柵源交疊或柵漏交疊的自對(duì)準(zhǔn)柵。 3）在直流偏置下，氧化層中沒有載流子輸運(yùn)，或者說氧化物的電阻無限大。 FET的特性與載流子的壽命關(guān)系不大，故抗輻射性能較好； （ 7）增強(qiáng)型 MOS晶體管之間存在著天然的隔離，可以大大地提高 MOS集成電路的集成度。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理是以簡(jiǎn)單的歐姆定律為根據(jù)的，而雙極晶體管是以擴(kuò)散理論為根據(jù)的。 MOSFET的功率特性和功率 MOSFET結(jié)構(gòu) 167。 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本理論 167。 ? MOSFET是一種表面場(chǎng)效應(yīng)器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。例如當(dāng)溫度升高后， FET溝道中的載流子數(shù)略有增加，但同時(shí)又使載流子的遷移率稍為減小，這兩個(gè)效應(yīng)正好相互補(bǔ)償，使 FET的放大特性隨溫度變化較??； （ 4）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的增益（即柵的跨號(hào) gm）在較大漏電流條件下基本上不變化。 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 6 SiO2 metal semiconductor Si d Ohmic contact MOS二極管的結(jié)構(gòu)圖 MOS二極管是重要的半導(dǎo)體器件，在半導(dǎo)體表面的 研究中及其有用 。 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 10 （ 1） VFB1：用來抵消功函數(shù)差的影響 BGiFmgmsSmFB qEEqqEqqqqV ??????? ???????????? )2/(1其中， FiFB qEE ?? ????相對(duì)于本征費(fèi)米能級(jí)定義的半導(dǎo)體材料的費(fèi)米勢(shì)。范圍內(nèi)，在表面勢(shì)大幅度變化時(shí)也不能充放電， Qf通常是正的，并和氧化、退火條件、 Si晶面取向有關(guān)。 ? 熱平衡時(shí)，表面處的電子濃度和空穴濃度用 ΨS表示為： kTqS Senn /0 ??kTqS Sepp /0 ??? 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 15 電勢(shì)平衡和電荷平衡 ? 一般外加?xùn)艍?VGB時(shí)，半導(dǎo)體表面將出現(xiàn)電荷，并有電勢(shì)降落，如下圖所示。 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 25 ? 對(duì)于 MOSFET來說，最令人關(guān)注的是反型的表面狀態(tài)。 ? 強(qiáng)反型近似認(rèn)為：當(dāng)外加?xùn)烹妷涸黾拥侥骋恢担?VG??0）時(shí)，能帶向下彎曲到使表面處的 Ei在 EF下方的高度正好等于半導(dǎo)體內(nèi)部 Ei在 EF上方的高度。 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 37 MOS二 極 管 C－ V特性 MOS電 容定 義為 小信 號(hào)電 容，在直流 電壓 上 疊加一小的交流 電壓 信 號(hào)進(jìn) 行 測(cè) 量。 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 42 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? N溝 MOSFET的結(jié)構(gòu)：在 P型襯底上擴(kuò)散（或離子注入）兩個(gè) N+區(qū)，右邊的 N+區(qū)稱源區(qū)，左邊的 N+區(qū)稱漏區(qū)，分別用 S和 D表示。 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 43 N型 MOSFET的基本 結(jié)構(gòu) 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 44 MOSFET的透 視圖 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 45 ? MOSFET的工作原理 使用 MOSFET時(shí)，源端通常接地。 ? 當(dāng) VGSVT并逐漸增大時(shí)，反型層的厚度將逐漸增厚，導(dǎo)電電子數(shù)目逐漸增多，即反型層的導(dǎo)電能力增加， IDS將會(huì)提高，實(shí)現(xiàn)柵壓對(duì)電流的控制。為了有效調(diào)節(jié)閾值電壓，常使用離子淺注入方法，即通過柵氧化層把雜質(zhì)注入到溝道表面的薄層內(nèi)，其作用相當(dāng)于有效界面電荷。這一點(diǎn)對(duì) MOS器件以外區(qū)域的半導(dǎo)體表面十分重要，這些區(qū)域稱為場(chǎng)區(qū)。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(duì)介電常數(shù)為 ）介質(zhì)就是一例。 （ 6）溝道與封底間的反向飽和電流很小，可以忽略不計(jì)?？紤]到溝道壓降影響，可得薩氏方程 ? 由此可以看出 ID的上升會(huì)變緩，特性曲線變彎曲狀。這需要從幾個(gè)方面來加以說明。所以當(dāng)夾斷區(qū)上電壓降（ VDSVDsat） 增大時(shí)，夾斷區(qū)長(zhǎng)度 擴(kuò)大，有效溝道長(zhǎng)度 L’縮短。因此可以近似認(rèn)為溝道長(zhǎng)度和溝道電阻都不變化。漏電流 ID隨漏電壓 VDS變大的主要原因有兩個(gè)： （ 1）是溝道長(zhǎng)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)。 ? 亞閾電流的存在，使器件截止時(shí)的漏電流增大，影響器件作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)的開關(guān)特性，并增大了靜態(tài)功耗。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。 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(duì)應(yīng)不同的 IDsat和 VDsat。 ① 飽和漏電流 IDSS 對(duì)于增強(qiáng)型 MOSFET，已經(jīng)導(dǎo)出過 對(duì)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(duì)于增強(qiáng)型 MOSFET， VGS=0時(shí)，柵下不存在導(dǎo)