【正文】 間。 ? 其中串聯(lián)電阻主要來(lái)源于漏區(qū)和源區(qū)的體電阻和歐姆接觸電阻。 )1( ???? LLII D Sa tD SSDSD S a tD S a t dVLdLLLIg )()1( 239。 ? 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。因此，為了得到高跨導(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(zhǎng)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。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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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。對(duì)應(yīng)的工作區(qū)稱(chēng)為亞閾區(qū)。但對(duì)于一般長(zhǎng)溝道器件來(lái)說(shuō)，漏耗盡區(qū)寬度和溝道長(zhǎng)度相比可以忽略。 現(xiàn)在一般用溝道漏端夾斷來(lái)解釋長(zhǎng)溝道器件 VDSVDsat時(shí)的漏極電流飽和現(xiàn)象。 （ 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(kāi)始導(dǎo)電。當(dāng) dox增加時(shí)，柵壓對(duì)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(chēng)為閾值電壓。 ? 這類(lèi)器件包括： 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ IGFET）； 金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MISFET）； 金屬－氧化物－半導(dǎo)體晶體管（ MOST）。 ? 一般人們常用的最好標(biāo)準(zhǔn)就是“強(qiáng)反型”條件（或稱(chēng)“強(qiáng)反型”近似）。當(dāng)柵對(duì)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(shì)降落稱(chēng)為表面勢(shì) ΨS，規(guī)定電勢(shì)降落的方向由表面指向體內(nèi)，由此，表面電勢(shì)高于體內(nèi)時(shí)， ΨS為正，反之為負(fù)。 ? 因此實(shí)際 MOS結(jié)構(gòu)，平帶電壓分為兩部分： VFB=VFB1+VFB2。一般為 1010Ω的數(shù)量級(jí)，最高可達(dá) 1013Ω，這有利于放大器各級(jí)間的直接耦合，且只需要很小的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，并可與多個(gè) FET并聯(lián)； （ 2）場(chǎng)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?，其電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化。 MOS結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)及 MOS二極管 167。雙極晶體管是電流控制器件，而場(chǎng)效應(yīng)晶體管則是電壓控制器件。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(duì)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 13 ? 為簡(jiǎn)化分析，常假定它們都固定在 SiO2/Si界面上，其面密度為 Q0，對(duì) SiO2/Si系統(tǒng)，無(wú)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。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(jí) Ei不是比費(fèi)米能級(jí) 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(jí)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 41 167。 當(dāng)表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)，電子積累層將在源漏之間形成導(dǎo)電溝道。 P溝器件的反向襯底偏壓要求 VBS0。 （ 2）溝道區(qū)不存在復(fù)合一產(chǎn)生電流。當(dāng)（ VGSVDS）小于閾電壓時(shí)，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)。 對(duì)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。事實(shí)上，當(dāng)半導(dǎo)體表面發(fā)現(xiàn)反型時(shí)（當(dāng)然沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)反型條件）就會(huì)有漏電流流動(dòng)。 S越小，器件導(dǎo)通和截止之間的轉(zhuǎn)換越容易，說(shuō)明亞閾值區(qū)特性越好。一旦這種弱反型層與器件的缺陷相連或延伸到晶片周?chē)?，就?huì)產(chǎn)生可觀的漏極電流。故跨導(dǎo)是一個(gè)重要參量。 ? 可以證明：由于高場(chǎng)遷移率的影響， gm下降為弱場(chǎng)時(shí)的 ? 當(dāng) VDS增大到溝道電場(chǎng)達(dá)到 EC時(shí)，載流子漂移速度達(dá)到極限值 vSL，跨導(dǎo)達(dá)到最大值： LVvDSSLn??11SLoxDSoxnm vZCVCLZg ?? ? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(duì)跨導(dǎo)的影響 實(shí)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。當(dāng)溝道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，襯底電阻率又較低時(shí)， ?L很小，IDSS’趨近于飽和。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 111 交流小信號(hào)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(hào)等效電路。又稱(chēng)為增益帶寬乘積 。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(yīng)。 GSDS VVBSDm VIg,??? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 104 （ 3）非飽和區(qū)的漏電導(dǎo) gd 定義 VGS為常數(shù)時(shí)， 微分漏電流與微分漏源電壓之比；表征漏源電壓對(duì)漏電流的控制能力。當(dāng)柵壓升高時(shí)，跨導(dǎo)隨柵壓增大而上升速率變慢。在短溝道器件中 ,為了獲得長(zhǎng)溝道的電學(xué)性能，往往要求柵氧化層厚度很薄，這時(shí)，能量接近于金屬柵電極費(fèi)米能級(jí)的電子就可能隧穿二氧化硅的禁帶而進(jìn)入金屬柵極，從而增大了柵電流。 對(duì)四種類(lèi)型的 MOSFET，上述輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線均可以從晶體管特性圖示儀上直接觀測(cè)到。因而這一電流和 N— P— N雙極晶體管基區(qū)的情況類(lèi)似。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 75 飽 和 區(qū)電 流 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(jiǎn)單，但在實(shí)際中用它設(shè)計(jì) MOSFET時(shí)，對(duì)漏電流的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合得很好。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 72 其次，當(dāng) VDVDsat時(shí)，超過(guò) VDsat的那部分外加電壓，即VDSVDsat，降落在夾斷區(qū)上。 ]})2()2[()2(132 )212{()(232321000BBDSAsOXDSDSBFBGSOXnyVnnDVqNCVVVVCLZdydVyZQIDS?????????????????? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 64 （ a） 線 性 區(qū)電 流 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(chēng)為薩氏方程。在 NA（或 ND）襯底摻雜一定時(shí)， Qox過(guò)大將會(huì)使器件由增強(qiáng)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(gè)重要任務(wù)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(qiáng)反型所需表面勢(shì) фS=2фB （ 3）強(qiáng)反型時(shí)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 51 ? 對(duì) NMOS， ? 對(duì) 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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 52 ? 上式中各參量符號(hào)對(duì) VGS（ th） 的影響 MOSFET類(lèi)型 襯底材料型號(hào) φms φB QB QOX VGS（ th） N溝MOSFET P + + ?0(增強(qiáng) ) ?0(耗盡 ) P溝MOSFET N + + ?0（增強(qiáng)） 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 53 ? 在 MOS集成電路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中， VT的控制很重要。 ? 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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)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(hào) 的 變 化， 導(dǎo)致 電 荷在 測(cè) 量信 號(hào) 的作用下與 反型 層 相交 換 ， 測(cè) 量 結(jié) 果與 理 論計(jì) 算相一致。這是“表面積累”和“表面耗盡”兩種狀態(tài)的分界； （ 2） φS=φB時(shí)， Ei和 EF在表面處相交，表面處于本征狀態(tài)。 ? 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(jí)位于硅禁帶之內(nèi)，和晶面取向有關(guān)。 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(zhǎng)工藝簡(jiǎn)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。 MOSFET的短溝道和窄溝道效應(yīng) 167。 MOSFET的溫度特性 167。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 5 167。 eVEE iF ???VG ??? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor De