【正文】 6Ω,這正是單極型晶體管優(yōu)越于雙極型晶體管的重要標(biāo)志之一。在短溝道器件中 ,為了獲得長溝道的電學(xué)性能，往往要求柵氧化層厚度很薄，這時，能量接近于金屬柵電極費米能級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。 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? ? 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。 ? 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。 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 96 167。 MOSFET的頻率特性 低頻小信號參數(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的小信號放大性能。故跨導(dǎo)是一個重要參量。 ? 跨導(dǎo)的定義是：當(dāng) VDS為常數(shù)時， VGS的改變所引起 ID的變化量。 CVGSDm DSVIg???? 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 97 ? 線性區(qū)： ? 非線性區(qū)： ? 飽和區(qū)： DSthGSGSOXnD VVVCLZI )()(?? ?]2)[(2)(DSDSthGSGSOXnDVVVVCLZI ??? ?DSDSoxnm VVCLZg ?? ??DSm Vg ??2)( )(2 thGSGSOXnD S S VVCLZI ?? ?)( )( thGSGSm VVg ?? ? 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 98 ? 線性區(qū)和飽和區(qū)的跨導(dǎo)都與器件的溝道長度 L和柵氧化層厚度 d成反比，而與溝道寬度 Z成正比。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。 ? 還有一點值得注意，飽和區(qū)的跨導(dǎo)與線性區(qū)的不同，它與 VDS無關(guān)，而與柵壓 VGS成線性關(guān)系。飽和區(qū)的跨導(dǎo)恰好是導(dǎo)通電阻 Ron的倒數(shù)。 ? 當(dāng)溝道長度 L很小或柵氧化層厚度 d很薄時，跨導(dǎo)可能變得非常大。然而實際研究結(jié)果表明，跨導(dǎo)的理論最大極限值為（ qI/KT）。 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 99 （ a）柵源電壓對跨導(dǎo)的影響 實驗發(fā)現(xiàn)，飽和區(qū)跨導(dǎo) gm隨 VGS上升而增加，但 VGS上升到一定值時， gm反而會下降。 柵壓較低時， μ n可看作常數(shù)。當(dāng)柵壓升高時，跨導(dǎo)隨柵壓增大而上升速率變慢。這是由于 μ n隨柵電場增強而下降，對 VGS的增大起補償作用的結(jié)果。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， gm達(dá)到最大值。之后， VGS繼續(xù)增加， μ n下降起主要作用。 ? 因此，實際 MOSFET在柵壓 VGS比較高時，跨導(dǎo) gm反而隨 VGS增大而下降。 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）漏源電壓對跨導(dǎo)的影響 當(dāng)漏源電壓較高，漏電場較強時，強場使載流子遷移率下降，漏電流減小。 ? 可以證明：由于高場遷移率的影響， gm下降為弱場時的 ? 當(dāng) VDS增大到溝道電場達(dá)到 EC時，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 101 （ c）源區(qū)漏區(qū)串聯(lián)電阻 RS、 RD對跨導(dǎo)的影響 實際 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。使實際加在溝道區(qū)的柵源電壓和漏源電壓低于外加電壓，由此導(dǎo)致實際跨導(dǎo)低于理論值。 加在溝道區(qū)上的實際有效漏源電壓為 )(/DSDDSDS RRIVV ???SDGSGS RIVV ??/)(1*DSdLSmmm RRgRggg???? SmmmS Rggg?? 1* 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 102 ? 提高跨導(dǎo)的關(guān)鍵是增大 β 因子。 ? 提高 β 因子從以下幾個方面： 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。 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 Z/L比大的版圖。 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）小信號襯底跨導(dǎo) gmb 定義：當(dāng) VGS 、 VDS為常數(shù)時， VBS的改變所引起 ID的變化量。 當(dāng)在 MOSFET襯底上加反向偏壓 VBS時，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。因此空間電荷有關(guān)項中的 ΦS代以 ΦS＋ VBS，即可得到考慮襯底偏壓后的漏電流，從而求得襯底跨導(dǎo)。 gmb相當(dāng)于一個柵，又稱為“背柵” 。 GSDS VVBSDm VIg,??? 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 104 （ 3）非飽和區(qū)的漏電導(dǎo) gd 定義 VGS為常數(shù)時， 微分漏電流與微分漏源電壓之比；表征漏源電壓對漏電流的控制能力。 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。 但實際的 MOSFET，由于溝道長度的調(diào)制效應(yīng)和漏極對溝道的靜電反饋作用（ 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，動態(tài)電阻是有限值。 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 106 （ a）有效溝道長度調(diào)變效應(yīng) ? 隨著 VDS超過 VDSat，溝道出現(xiàn)夾斷，并隨著 VDS的進(jìn)一步增加向源端移動，漏端耗盡區(qū)寬度 ?L增加，有效溝道長度Leff減小，溝道電阻也減小，導(dǎo)致漏電流增大。這種有效溝道長度隨 VDS增大而縮短的現(xiàn)象稱為有效溝道長度調(diào)變效應(yīng)。 ? 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 atDSse 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 ? 對于溝道長度較短，而襯底電阻率又較高的MOSFET，其溝道長度調(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)溝道長度較長，襯底電阻率又較低時， ?L很小，IDSS’趨近于飽和。 2102)(39。])(2[)(21ADSa tDSsthGSGSOXnDSSqNVVLVVZCI ???? ???139。 )1( ???? LLII D Sa tD SSDSD S a tD S a t dVLdLLLIg )()1( 239。 ???? 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 108 （ b）漏感應(yīng)勢壘降低效應(yīng)（漏對溝道區(qū)的靜電反饋效應(yīng)） ? 對于襯底電阻率較高的 MOSFET，當(dāng) VDS?VDSat時，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度。這一現(xiàn)象在溝道長度較短時尤為顯著。因此起始于漏擴(kuò)散區(qū)的電力線的一部分將通過較寬的耗盡區(qū)而終止于溝道區(qū)。這相當(dāng)于漏一溝道間有相當(dāng)大的耦合電容存在。這樣，當(dāng)漏源電壓增加時，耗盡區(qū)內(nèi)的電場強度亦隨之增加，必然引起溝道內(nèi)的感生電荷相應(yīng)地增加，以終止更多的電力線。因而溝道電導(dǎo)增大。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)。漏區(qū)起著第二柵的作用。 ? 由于電力線會穿越漏到源，引起源端勢壘降低，從源區(qū)注入溝道的電子增加，導(dǎo)致漏源電流增加，通常稱該過程為漏感應(yīng)勢壘降低 DIBL。 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 109 ? 對一定的 VDS，器件的溝道長度 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。 ? DIBL是 MOS器件尺寸縮小的一個基本限制，是漏電壓 VDS引起的沿溝道方向的電勢分布使源和溝道間的勢壘降低。 ? 當(dāng)短溝道器件工作在閾值電壓附近時， DIBL效應(yīng)非常嚴(yán)重。 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 110 DSbis VV ??? DIBL leads to a substantial increase in electron injection from the source to the drain. Subthreshold current 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 111 交流小信號等效電路 ? 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的小信號等效電路。 ? 實際 MOSFET中，除了存在上述微分增量參數(shù)，即本征參數(shù)外，還存在其它非本征參數(shù) ,如漏、源串聯(lián)電阻 RD和 RS,柵－源、柵－漏寄生電容 Cgs’和 Cgd’等?？紤]寄生參數(shù)后，可以得到較完整的等效電路。 ? 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。寄生電容 Cgs’和 Cgd’主要來源于柵－源和柵－漏間的交疊覆蓋電容。 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 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，對這些電容充放電存在一定延遲時間，載流子渡越溝道也需要一定時間，這些延遲時間決定 MOSFET的使用頻率限制。 （ 1）跨導(dǎo)截止頻率 ω gm ? 跨導(dǎo)下降到低頻時的 21/2對應(yīng)的頻率稱為跨導(dǎo)截止頻率。 ? 跨導(dǎo)截止頻率實際上來源于通過等效溝道電阻對柵源電容充電的延遲時間。 ? 提高跨導(dǎo) 截止頻率 ω gm，應(yīng)選用遷移率大的 p型材料作襯底，縮短溝道長度和減小閾值電壓。 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 113 （ 2）截止頻率 fT ? 定義 fT為輸出端交流短路時 MOSFET的輸出電流和輸入電流相等時的頻率。又稱為增益帶寬乘積 。 ??????????????????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。 另外， fT與溝道中載流子遷移率 μ成正比，所以在條件