【正文】 電溝道，源擴(kuò)散區(qū)與襯底、漏擴(kuò)散區(qū)與襯底形成兩個(gè)獨(dú)立的互不相通的背靠背 pn結(jié)。因此， Ron是一個(gè)重要參數(shù)。 ? 為保證 MOSFET正常工作而允許耗散的最大功率稱為最大耗散功率 PCM。 ? 還有一點(diǎn)值得注意，飽和區(qū)的跨導(dǎo)與線性區(qū)的不同，它與 VDS無(wú)關(guān)，而與柵壓 VGS成線性關(guān)系。當(dāng)柵壓增加到 μ n下降使 β 因子的減小同 VGS增大的作用完全抵消時(shí)， gm達(dá)到最大值。 ② 制作高質(zhì)量、薄的柵氧化層，以增大柵電容 Cox ③ 盡可能采用溝道寬長(zhǎng) Z/L比大的版圖。 但實(shí)際的 MOSFET，由于溝道長(zhǎng)度的調(diào)制效應(yīng)和漏極對(duì)溝道的靜電反饋?zhàn)饔茫?DIBL），使飽和區(qū)輸出特性曲線發(fā)生傾斜，即輸出電導(dǎo)不為零，動(dòng)態(tài)電阻是有限值。 ???? 中國(guó)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 108 （ b）漏感應(yīng)勢(shì)壘降低效應(yīng)（漏對(duì)溝道區(qū)的靜電反饋效應(yīng)） ? 對(duì)于襯底電阻率較高的 MOSFET，當(dāng) VDS?VDSat時(shí)，漏區(qū)－襯底的 PN結(jié)耗盡層寬度大于或接近于有效溝道長(zhǎng)度。 ? 由于電力線會(huì)穿越漏到源，引起源端勢(shì)壘降低，從源區(qū)注入溝道的電子增加，導(dǎo)致漏源電流增加，通常稱該過(guò)程為漏感應(yīng)勢(shì)壘降低 DIBL。寄生電容 Cgs’和 Cgd’主要來(lái)源于柵－源和柵－漏間的交疊覆蓋電容。 另外， fT與溝道中載流子遷移率 μ成正比，所以在條件相同。 （ 1）跨導(dǎo)截止頻率 ω gm ? 跨導(dǎo)下降到低頻時(shí)的 21/2對(duì)應(yīng)的頻率稱為跨導(dǎo)截止頻率。 ? DIBL是 MOS器件尺寸縮小的一個(gè)基本限制，是漏電壓 VDS引起的沿溝道方向的電勢(shì)分布使源和溝道間的勢(shì)壘降低。因此起始于漏擴(kuò)散區(qū)的電力線的一部分將通過(guò)較寬的耗盡區(qū)而終止于溝道區(qū)。這種有效溝道長(zhǎng)度隨 VDS增大而縮短的現(xiàn)象稱為有效溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)。 中國(guó)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 103 （ 2）小信號(hào)襯底跨導(dǎo) gmb 定義：當(dāng) VGS 、 VDS為常數(shù)時(shí)， VBS的改變所引起 ID的變化量。 ? 因此，實(shí)際 MOSFET在柵壓 VGS比較高時(shí)，跨導(dǎo) gm反而隨 VGS增大而下降。 ? 當(dāng)溝道長(zhǎng)度 L很小或柵氧化層厚度 d很薄時(shí)，跨導(dǎo)可能變得非常大。 中國(guó)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 96 167。由于金屬柵極與半導(dǎo)體層隔著一層絕緣性能良好的柵氧化層，所以 RGS主要就是柵極下 SiO2層的絕緣電阻。這個(gè)電流就叫做截止漏電流。 ④ 雪崩區(qū)：由于反向偏置的漏－襯底結(jié)雪崩倍增而擊穿，致使 IDS急劇增大。 LLnnqA DdydnAqDInnD)()0( ??????)e x p ()0( 0 kTqnn s??])(e xp[)( 0 kTVqnLn DSs ?? ? 中國(guó)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 82 ? 定義為有效溝道厚度 deff：反型層內(nèi)表面勢(shì)φS下降 KT/q時(shí)的距離。亞閾電流對(duì)短溝道 MOSFET的影響更明顯。 中國(guó)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 78 亞閾區(qū)電流 — 電壓特性 ? 上面導(dǎo)出的 MOSFET的電流 — 電壓方程使用了強(qiáng)反型條件。這樣，溝道載流子對(duì)漏電流的貢獻(xiàn)就和剛夾斷時(shí)一樣，這些溝道載流子一旦到達(dá)漏耗盡區(qū)邊界就立即被耗盡區(qū)電場(chǎng)掃入漏區(qū)而形成漏極電流?？紤]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。 設(shè)想夾斷點(diǎn)移動(dòng)到 y=L’，則有 ? ? ? ?? ? 039。由于 V(y)沿 y方向增大，所以在漏端（ y=L處） V(L)=VDS。 （ 8）采用肖克萊的緩變溝道近似，即假設(shè)跨過(guò)氧化層的垂直于溝道方向的橫向電場(chǎng) Ex比沿著溝道 y方向的縱向電場(chǎng) Ey大得多。為數(shù)學(xué)處理上的方便，就 MOSFET的基本物理模型作如下假設(shè)： （ 1）一維近似。場(chǎng)區(qū)的閾值電壓可高達(dá)幾十伏，比柵壓大一個(gè)數(shù)量級(jí)，適用于 MOS器件之間的隔離。 中國(guó)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 54 a) 離子注入到溝道表面內(nèi) 中國(guó)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 55 ? 施加反向襯底電壓也能調(diào)整 VT，對(duì) n溝器件，這時(shí)溝道源端在強(qiáng)反型時(shí)的耗盡層電荷為： ? 其中， VBS表示襯底相對(duì)于源端的外加電壓。 中國(guó)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 47 MOSFET分 類 中國(guó)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 48 非平衡狀態(tài) ? MOS二極管中，有柵壓存在時(shí)，金屬的 EFM和半導(dǎo)體的 EFp不再一致， EFM EFM=qVGB但因?yàn)闆]有電流流動(dòng)，半導(dǎo)體從表面到體內(nèi)仍具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，即仍處于平衡狀態(tài)。 VGS0時(shí)，此電壓將在柵氧化層中建立自上而下的電場(chǎng)，從柵極指向半導(dǎo)體表面，在表面將感應(yīng)產(chǎn)生負(fù)電荷。在溝道區(qū)的半導(dǎo)體表面熱生長(zhǎng)一層二氧化硅薄膜作為柵介質(zhì)。通過(guò) C－ V特性的測(cè)量，可以了解半導(dǎo)體表面狀態(tài)，了解 SiO2層和 SiO2/Si界面各種電荷的性質(zhì)，測(cè)定 Si的許多重要參數(shù)（如摻雜和少子壽命等）。這就是“強(qiáng)反型”條件。這一反型層與 P型襯底之間被耗盡層隔開，它是 MOSFET的導(dǎo)電溝道，是器件是否正常工作的關(guān)鍵。由于 φmS與外加電壓無(wú)關(guān)，因此柵襯底偏壓VGB改變 ΔVGB時(shí)， ? 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。 ? 可動(dòng)離子電荷 Qm：如 Na＋ 等堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時(shí)，它們可以在氧化層內(nèi)移動(dòng)。 中國(guó)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 11 ? 多晶硅是一種十分重要的柵極材料，主要優(yōu)點(diǎn)是能承受器件制作中的高溫過(guò)程。 ? ? ? ? 02 ???????????? BEmsmms qqqqqq g?2）任意偏置下，二極管中只有兩部分?jǐn)?shù)量相等但符號(hào)相反的電荷：半導(dǎo)體中的電荷和靠近氧化物的金屬表面上的電荷。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。 ? 與兩種載流子都參加導(dǎo)電的雙極晶體管不同。 MOSFET的擊穿特性 167。 MOSFET的頻率特性 167。它和前面介紹的 JFET、MESFET統(tǒng)稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其工作以半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)為物理基礎(chǔ)。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?yàn)?FET依靠多子輸運(yùn)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(qiáng)。 V GND 中國(guó)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 7 理想 MOS二極管的能帶圖 中國(guó)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 8 理想 MOS二極管的定義： 1） 零偏壓下 ,能帶是平的 。 對(duì)于給定的 MOS結(jié)構(gòu)， mS? 即 VFB1，決定于 MOS結(jié)構(gòu)所用的柵極材料和 半導(dǎo)體摻雜濃度。 ? 氧化物陷阱電荷 Qot：和 SiO2的缺陷有關(guān)，分布在 SiO2層內(nèi)，和工藝過(guò)程有關(guān)的 Qot可以通過(guò)低溫退火除掉大部分。 ? 電勢(shì)平衡方程 其中 VGB為柵襯底偏壓， ψo(hù)x是柵氧化層上電壓， ψS是表面勢(shì)， φmS是襯底對(duì)柵的接觸電勢(shì)差。當(dāng)柵偏壓 VG??0時(shí)， P型半導(dǎo)體表面的電子濃度將大于空穴濃度，形成與原來(lái)半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相反的 N型導(dǎo)電層，它不是因摻雜而形成的，而是由于外加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)而在原 P型半導(dǎo)體表面感應(yīng)出來(lái)的，故稱為感應(yīng)反型層。也就是說(shuō)表面處 N型層的電子濃度正好等于 P型襯底的空穴濃度。 dtdVCdtdVdVdQdtdQI GGGGG ??? 中國(guó)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 38 P襯底 MOS二極管的 CV特性曲線 中國(guó)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 39 )(m inSmoxoxoxWCdC???? 中國(guó)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 40 討論： （ 1） C－ V特性是 MOS二極管的基本特性。二擴(kuò)散區(qū)之間的區(qū)域是溝道區(qū)。當(dāng)柵壓 VGS=0時(shí)，源漏之間兩個(gè)背靠背的 pn結(jié)總有一個(gè)處于反偏，源漏之間只能有很小的 pn結(jié)反向漏電流流過(guò)。漏源電壓保證載流子由源區(qū)進(jìn)入溝道，再由漏區(qū)流出。閾值電壓的改變由下式估算： OXIT CqNV ???其中， NI是注入劑量，單位： /cm2， 注入 p型，取“＋”；注入 n型，取 “－”。場(chǎng)氧化層比柵氧化層厚得多。 中國(guó)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 60 MOSFET的直流特性 ? 以 n溝 MOSFET為例，定量分析其電流－電壓特性，導(dǎo)出電流－電壓方程。 （ 7）不考慮源區(qū)和漏區(qū)的體電阻以及接觸電阻。 （ b）非 線 性 區(qū) ]2)[(2)(DSDSthGSGSOXnDVVVVCLZI ??? ? 中國(guó)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 68 ? 隨著漏電壓的增加 ,柵與溝道的電壓 VGSV(y)將不斷減小。 首先 VDS超過(guò) VDsat以后，溝道夾斷點(diǎn)的電勢(shì)始終都等于VGSVT。 L? 對(duì)于長(zhǎng)溝道 MOSFET，如果在所考慮的 VDS范圍內(nèi)始終是 L，那么在 VDVDsat情形下，未夾斷區(qū)的縱向及橫向電場(chǎng)和電荷分布基本上與 VD＝ VDsat時(shí)相同，從溝道點(diǎn)到源端之間的電阻因而也保持不變。則加在 y點(diǎn)上的漏電壓也等于剛夾斷時(shí)的漏電壓。 ? 將在后面飽和區(qū)漏電導(dǎo)參數(shù)中進(jìn)行討論。因此，對(duì)工作在低電壓或低功耗應(yīng)用的器件，減小亞閾電流就成為設(shè)計(jì)者的任務(wù)之一。 ? 電流流過(guò)的溝道截面積 A等于溝道寬度 Z和有效溝道厚度d的乘積。 ③ 截止區(qū)：半導(dǎo)體表面不存在導(dǎo)電溝道。加上漏源電壓 VDS后，漏極電流應(yīng)該等于 PN結(jié)的反向飽和電流。 中國(guó)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 94 ④ 柵源直流輸入阻抗 柵源兩極為 MOSFET的輸入電極，因而 MOSFET直流輸入阻抗就是柵源直流絕緣電阻 RGS。 ? MOSFET的功率主要耗散在溝道區(qū)（特別是溝道夾斷區(qū)），因而提高 PCM主要是要改善溝道到襯底、到底座、到管殼間的熱傳導(dǎo)及管殼的散熱條件。飽和區(qū)的跨導(dǎo)恰好是導(dǎo)通電阻 Ron的倒數(shù)。之后， VGS繼續(xù)增加， μ n下降起主要作用。 ④ 減小源漏區(qū)體電阻和歐姆接觸電阻等，以減小串聯(lián)電阻。 中國(guó)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 106 （ a）有效溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng) ? 隨著 VDS超過(guò) VDSat，溝道出現(xiàn)夾斷，并隨著 VDS的進(jìn)一步增加向源端移動(dòng)，漏端耗盡區(qū)寬度 ?L增加，有效溝道長(zhǎng)度Leff減小，溝道電阻也減小，導(dǎo)致漏電流增大。這一現(xiàn)象在溝道長(zhǎng)度較短時(shí)尤為顯著。 中國(guó)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 109 ? 對(duì)一定的 VDS，器件的溝道長(zhǎng)度 L越小， DIBL效應(yīng)越顯著，漏極電流增加越顯著，導(dǎo)致器件不能關(guān)斷。 中國(guó)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 112 MOSFET的高頻特性 MOS器件存在本征電容和寄生電容，高頻情況下，對(duì)這些電容充放電存在一定延遲時(shí)間，載流子渡越溝道也需要一定時(shí)間，這些延遲時(shí)間決定 MOSFET的使用頻率限制