【正文】 C? ?在飽和工作區(qū)時 23 ()4nT G S Tf U UL????與溝道長度 L的平方成反比，溝道短的管 fT 會更高。 長溝 MOS管，溝道剛夾斷時 溝道區(qū)的橫向電場 ()G S TyUUEL??載流子渡過溝道區(qū) L所需要的時間為渡越時間 ? ， ， 1 OXT inCC? ????????如果 1/ ?inOX CC 1T? ??減小溝道長度 L是提高截止頻率的重要手段。 2()n x n G S TL L LE U UV? ? ? ?? ??2． 最高工作頻率 fM fM —— 功率增益等于 1時的頻率； 柵 溝道電容 CGC 當柵 源之間輸入交流信號之后，從柵極增加流進溝道的載流子分成兩部分，其中一部分對柵 溝道電容 CGC充電，另一部分徑直通過溝道流進漏極，形成漏 源輸出電流。 當信號頻率 ? 增加，流過 CGC的信號電流增加，從源流入溝道的載流子用于增加?xùn)艤系离娙莩潆姷牟糠?，直?? 增大到足夠大，使全部溝道電流用于充電，則漏極輸出信號為 0， 即流入電容 CGC的 電流等于輸入信號引起的溝道電流時 的頻率 ? 是管的最高工作頻率 ? M 。 0OXG C O XOXWLC C W Lt????M G C G S m G SC U g U? ?2mMGCgfC? ?管跨導(dǎo)愈大，最高工作頻率愈高； 柵極 溝道電容 CGC愈小，最高工作頻率也愈高 。 管的 高頻優(yōu)值 gm/CGC —— 衡量管的高頻特性，比值愈高， 高頻特性愈好。 2 ()2M G S Tf U UL????提高 fM ，從結(jié)構(gòu)方面應(yīng)當使溝道長度縮短到最低限度，也必須盡可能增大電子在溝道表面的有效遷移率 ?n。 硅材料電子遷移率 ?n比空穴遷移率 ?p大 。 n ?M = 2? fM MOS管的開關(guān)特性 (Switching feature) 開關(guān)狀態(tài) —— 管主要工作在兩個狀態(tài)， 導(dǎo)通態(tài) 和 截止態(tài) ； 兩種開關(guān)特性 —— 本征 與 非本征開關(guān)延遲 特性； 本征延遲 ：載流子通過溝道的傳輸所引起的大信號延遲； 非本征延遲 ：被驅(qū)動的負載電容充 放電以及管之間的 RC延遲； MOS管用來構(gòu)成數(shù)字集成電路，如 構(gòu)成 觸發(fā)器 、 存儲器 、 移位寄存器 等等。構(gòu)成的集成電路功耗小、集成度高。 MOS管瞬態(tài) 開關(guān)過程 開關(guān)等效電路 開和關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換即在 截止區(qū) 和 可變電阻區(qū)間 來回切換，且受UGS控制 非本征開關(guān)過程 (外部狀態(tài)影響 ) 電阻負載倒相器 負載電阻 負載電容 電源 IDS 階躍信號 (方波 ) （ 1）開通過程 延遲時間 上升時間 延遲過程 —— 輸入柵壓 UGS增加，信號 UG(t)向柵電容 CGS和CGD充電，隨著柵壓增加，經(jīng)過一定的延遲，柵電容 CGS上的柵壓達到閾值電壓 UT 時，輸出電流開始出現(xiàn)； 上升過程 —— UGS超過 UT 時，進入線性工作區(qū)， UG(t)使反型溝道厚度增厚，電流開始迅速增大；在上升時間 tr結(jié)束時，電流達到最大值，柵壓達到 UGS2 ； 延遲 UT 理想開波形 UGS2 為什么輸入 方波， 而實際如此變化？ （ 2）關(guān)斷過程 儲存時間 下降時間 儲存過程 —— 去掉柵壓，柵電容 CGS放電，柵壓 UGS下降，當UGS下降到上升時間結(jié)束時的柵壓 UGS2時，電流才開始下降；也是管退出飽和的時間； 下降過程 —— 儲存時間結(jié)束后，UGS繼續(xù)放電，柵壓 UGS從 UGS2進一步下降，反型溝道厚度變薄，電流快速下降，當 UGS小于UT 后，管截止，關(guān)斷過程結(jié)束； 延遲 理想關(guān)波形 UT UGS2 非本征開關(guān)時間 ? ? 11 l n 1 /d in g e n T G Gt C R U U ???柵峰值電壓 輸入電容 電流脈沖發(fā)生器的內(nèi)阻 122()l n 1()G S Tr i n g e nG G TUUt C RUU??? ??? ?????開通和關(guān)斷時間近似相等 ton= toff o n d ro f f s ft t tt t t????非本征開關(guān)時間受負載電阻 RL、負載電容 CL、柵峰值電壓 UGG以及電容和電阻的影響，減小柵電容及電阻值是很重要的。 MOS管瞬態(tài) 開關(guān)時間計算 11 e x pG S G GUU??? ????g e n i n l（ t ） （ t / R C ）本征延遲開關(guān)過程 定義：本征延遲過程的時間是柵極加上階躍電壓，使溝道導(dǎo)通，漏極電流上升到與導(dǎo)通柵壓對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。 載流子渡越溝道長度，該過程與傳輸?shù)碾娏鞯拇笮『碗姾傻亩嗌儆嘘P(guān)，與載流子漂移速度有關(guān)，漂移速度越快，本征延遲的過程越短。 在線性區(qū)， UDS →0 時，本征開通延遲時間 211chn D SLtU??飽和區(qū)本征開通延遲時間 2413 ( )c h s n G S TLtUU?? ?減小溝道長度是減小開關(guān)時間的主要方法； 溝道不太長，本征開通延遲時間較短。如 L = 5?m， ?n = 60cm2/（ Vs）的 NMOS管， UDS = UGS ?UT = 5V時， tch只有 111ps。 一般說來，若溝道長度小于 5?m，則開關(guān)速度主要由負載延遲決定。對于長溝管，本征延遲與負載延遲可相比擬，甚至超過。 MOS管的二級效應(yīng) —— 理想結(jié)果的修正 二級效應(yīng) —— 非線性 、 非一維 、 非平衡等 因素對 IV特性產(chǎn)生的影響，它們包括： 非常數(shù)表面遷移率效應(yīng) 、 體電荷效應(yīng) 、短溝道效應(yīng) 、 窄溝道效應(yīng) 等。 非常數(shù)表面遷移率效應(yīng) 實際情況， MOS管表面載流子的遷移率與表面的 粗糙度 、 界面的陷阱密度 、 雜質(zhì)濃度 、 表面電場 等因素有關(guān)。 電子表面遷移率 的范圍為 550～ 950 cm2/（ Vs）， 空穴表面遷移率 的范圍為 150～ 250 cm2/（ Vs），電子與空穴遷移率的比值為 2～ 4。 在低柵極電壓情況下測得，即 UGS僅大于 閾值電壓 1～ 2V。 當 柵極電壓較高 時，發(fā)現(xiàn)載流子遷移率下降，這是因為 UGS 較大時， 垂直于表面的縱向電場 也較大，載流子在沿溝道作漂移運動時與 SiSiO2界面 發(fā)生更多的碰撞，使遷移率下降。 經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，在低電場時是常數(shù)，電場達到 ～ 1?105 V/cm時，遷移率開始下降。 21[ ( ) ]2D S TG S G S DSIU UU U? ? ? ?然而： 遷移率下降的結(jié)果表明： 飽和工作區(qū) ， 漏 源電流隨UGS的增加不按平方規(guī)律 ；線性工作區(qū)，對于 UGS較大的情況下曲線匯聚在一起 ； 已知： 原因： 遷移率隨縱向電場的增大而降低的規(guī)律 在線性工作區(qū) ? ?? ?1/G S TOXD S D SUUWCL I U???非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)使遷移率下降，使電流 電壓特性變差。 011 G S TROXUUCt??????低電場時的遷移率 電場下降系數(shù) 通過氧化層的縱向電場 0()GSDSd l G S TDS URIg U UU??? ? ????? 常 數(shù)根 據(jù) 在 線 性 工 作 區(qū) ： 便 可 以 得 到 和 C 體電荷效應(yīng) 在 MOS場效應(yīng)管的電流 電壓關(guān)系計算的時候，理想的條件 下溝道下面的厚度近似不變，電荷密度 QBm(x)基本上和位置 無關(guān)。 當 UDS增加，尤其是當 UDS接近于 UDsat 時，溝道下面的耗盡層厚度明顯不為常數(shù)，這時必須考慮體電荷變化的影響。 表面開始強反型的表面勢 ( ) ( ) 2SFU x U x ???表面耗盡層內(nèi)單位面積上電離受主的電荷密度 02 [ ( ) 2 ]B m S A FQ qN U x? ? ?? ? ?溝道方向有電壓降 表面強反型條件 ? ?1 ( ) ( ) ( ) 2G S F B B m n FOXU U Q x Q x U xC ?? ? ? ? ?反型區(qū)電荷 ? ?3 / 20 3 / 2222 ( 2 )322SAD S Fn O XDSDSG S F B F D S FOXqNUWCILUU U UC?? ?????????? ? ? ??????? ? ?????????簡單模型估算的電流偏高 20%～50%，而且 UDSat也偏大。 通常在電流小于最大值的 20%時，兩種模型的結(jié)果基本相符 襯底摻雜濃度降低后，體電荷影響減弱 根據(jù)課本 241頁式子 452的推理 沒有考慮體電荷的變化 短溝道效應(yīng) —— L 的影響 如果溝道長度縮短，源結(jié)與漏結(jié)耗盡層的厚度可與溝道長度比擬時，溝道區(qū)的電勢分布將不僅與由柵電壓及襯底偏置電壓決定的縱向電場 EX有關(guān)，而且與由漏極電壓控制的橫向電場 EY也有關(guān)。 短溝道效應(yīng) —— 在溝道區(qū)出現(xiàn)二維電勢分布以及高電場，會導(dǎo)致閾值電壓隨 L的縮短而下降， 亞閾值特性的降級 以及由于 穿通效應(yīng)而使電流飽和失效 ； 此時 ， 緩變溝道 的近似不成立， 二維電場分布 導(dǎo)致閾值電壓隨溝道的長度變化。 溝道長度縮短，溝道 橫向電場增大 時，溝道區(qū)載流子的遷移率變化與電場有關(guān)，最后使載流子速度達到飽和。當電場進一步增大時，靠近漏端處發(fā)生 載流子倍增 ，從而導(dǎo)致襯底電流及產(chǎn)生寄生雙極型晶體管效 應(yīng)，強電場也促使熱載流子注入氧化層，導(dǎo)致氧化層內(nèi)增加負電荷及引起 閾值電壓移動 、 跨導(dǎo)下降 等 短溝道 MOS管的亞閾值特性 實踐發(fā)現(xiàn)： 當溝道縮小時，由于 漏溝靜電反饋效應(yīng) ，閾值電壓 UT 顯著減小。 標準 N溝 MOS制作工藝：襯底為（ 100）晶面的 P型硅片，柵氧化層取一定的厚度，用 X射線光刻 的方法得到長度從 1～ 10 ?m的多晶硅柵，它們的寬度均為 70 ?m，漏和源區(qū)由砷離子注入及隨后的退火工藝形成。根據(jù)注入能量及退火條件，可得到從 ～ ?m的不同結(jié)深，接觸金屬采用鋁制作 。 顯然： 亞閾值電流與漏極電壓 UD無關(guān)， 圖中表現(xiàn)為實線（ UD =）與虛線（ UD =） 偏離，但當溝道長度從 7 ?m變短為 ?m情況，亞閾 值電流與 UD的關(guān)系變的明顯。 顯然： 當襯底摻雜濃度較低（ ） 時，器件偏離長溝 道特性也變的顯著，即使在 L =7?m時，實線與虛線 也已開始分離。 當 L =?m時，長溝道特性幾乎全部消失，器件甚 至不能“截止”了，由圖可以得出，溝道縮小時，UT 顯著減小。 14 310 cm?最小溝道長度 Lmin 當 MOS場效應(yīng)晶體管管氧化層厚度為 100～ 1000197。，襯底摻雜濃度為 1014～ 1017cm?3，結(jié)深為 ～ ?m，漏極電壓直到 5V，由此可得到下述表示 具有長溝道亞閾值特性最小溝道長度 Lmin 的 經(jīng)驗公式 ： ? ? ? ?1 12 332 ()m in j O X S dj O X S dL X t X XX t X X????? ? ?????XS +Xd 為源 漏一維突變結(jié)耗盡區(qū)厚度之和 ? ?2 Sd D B J B SAX U U UqN?? ? ?當 UD= 0 時， Xd 與 XS 相等。 測量結(jié)果及計算結(jié)果的最大誤差在 20%以內(nèi) 如 ? = 105?m3197。， 10?m溝道長度已是短溝道器件，但是如果 ? = 1?m3 197。， ?m溝道長度的器件依然可示為長溝道器件。 窄溝道效應(yīng) —— W 的影響 窄溝道效應(yīng) —— 當溝道寬度 W小到可以和溝道耗盡層厚度比擬時，會出現(xiàn)隨著 W的減小使UT 增加的現(xiàn)象； 實際上，對于溝道耗盡層厚度為 ?m的 MOS管，當 W為 5?m時，已開始有窄溝道效應(yīng)發(fā)生 場氧化層的厚度 柵氧化層厚度 場氧化層下面耗盡層的厚度