【正文】 UGS ?UT = 5V時， tch只有 111ps。一般說來，若溝道長度小于 5?m， 則開關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 —— 理想結果的修正 二級效應 —— 非線性 、 非一維 、 非平衡等 因素對 IV特性產生的影響，它們包括： 非常數表面遷移率效應 、 體電荷效應 、短溝道效應 、 窄溝道效應 等。 非常數表面遷移率效應 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 、 雜質濃度 、 表面電場 等因素有關。 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。 經驗數據表明，在低電場時是常數，電場達到 ～ 1?105 V/cm時，遷移率開始下降。 然而 ,遷移率下降的結果表明： 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) 非常數表面遷移率效應 使遷移率下降，使電流 電壓特性變差。 低電場時的遷移率 電場下降系數 通過氧化層的縱向電場 體電荷效應 在 MOS場效應管的電流 電壓關系計算的時候，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。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，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 表面耗盡層內單位面積上電離受主的電荷密度 溝道方向有電壓降 表面強反型條件 反型區(qū)電荷 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，兩種模型的結果基本相符 襯底摻雜濃度降低后，體電荷影響減弱 根據課本 241頁式子 452的推理沒有考慮體電荷的變化 短溝道效應 —— L 的影響 如果溝道長度縮短，源結與漏結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，而且與由漏極電壓控制的橫向電場 EY也有關。短溝道效應 —— 在溝道區(qū)出現二維電勢分布以及高電場，會導致閾值電壓隨 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，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 ，從而導致襯底電流及產生寄生雙極型晶體管效 應，強電場也促使熱載流子注入氧化層，導致氧化層內增加負電荷及引起 閾值電壓移動 、 跨導下降 等 短溝道 MOS管的亞閾值特性 實踐發(fā)現： 當溝道縮小時，由于 漏溝靜電反饋效應 ，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。根據注入能量及退火條件，可得到從 ～ ?m的不同結深，接觸金屬采用鋁制作 。顯然： 亞閾值電流與漏極電壓 UD無關， 圖中表現為實線（ 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。 最小溝道長度 Lmin 當 MOS場效應晶體管管氧化層厚度為 100～ 1000197。， 襯底摻雜濃度為 1014～ 1017cm?3， 結深為 ～ ?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 經驗公式 ：XS +Xd 為源 漏一維突變結耗盡區(qū)厚度之和 當 UD= 0 時， Xd 與 XS 相等。測量結果及計算結果的最大誤差在 20%以內 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 —— W 的影響 窄溝道效應 —— 當溝道寬度 W小到可以和溝道耗盡層厚度比擬時，會出現隨著 W的減小使UT 增加的現象；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 柵下面溝道耗盡層的厚度 當 W減小時，柵下面溝道耗盡區(qū)的電荷減小，但實際的耗盡層邊界延伸進入厚氧化層下面的區(qū)域，故厚氧化層下面的額外電荷必須包括在 UT 的作用之中，計算中必須考慮 當襯底材料是均勻摻雜時，設想有三種包括額外電荷的形狀：三角形、四分之一圓以及正方形。 實驗數據表明，采用 ? = 2，即正方形的幾何結構，得到的結果最佳 溝道寬度小于 10?m時，閾值電壓開始增加，窄溝道效應開始起作用。 在實際的 MOS場效應晶體管中，場氧化層下面的摻雜濃度要高于溝道區(qū)的摻雜濃度，使 UT 顯著增大。 MOS管溫度特性 熱電子效應在 MOS電路中，為維持與其他電路的電平匹配，器件按比例縮小時， 漏壓 并不減小，導致 溝道區(qū)電場 增大；強電場作用，電子在兩次碰撞之間會加速到比熱運動速度高許多倍的速度，由于動能很大而稱為 熱電子 ，而引起 “熱電子效應 ”。 同時，具有較高動能的熱電子，還可通過碰撞電離產生電子空穴對，使電子和空穴的數目倍增。 電子在 強電場 作用下，漂移速度不再與電場成線性關系。當電場達到約 3?104 V/cm時， 電子速度 趨于飽和。 當柵極電壓高于漏極電壓時，由于垂直于溝道方向電場的作用， 熱電子 會向 柵氧化層注入 ，從而導致器件性能變差。熱電子注入氧化層的條件是其動能高于 SiSiO2的勢壘高度。越過 SiO2Si界面的熱電子，一部分穿過柵介質成為 柵極電流 ，另一部分積累在柵氧化層中，形成受主型的界面態(tài)。這些界面態(tài)會進一步吸引表面電子，同時消耗表面可動載流子，使電子的 表面遷移率 下降，造成 閾值電壓的漂移 以及 跨導的下降 。Bipolar issues in MOSN溝 MOS場效應晶體管，襯底材料往往接地成負偏壓。因此，大量空穴進入襯底，形成襯底電流。電流的經驗公式 最大溝道電場 溫度倍增系數 襯底電流的增加，使 寄生橫向 NPN管 基極電位升高。當 基極電位升高到高于源極 （發(fā)射極）約 ，寄生 NPN管會導通，這樣就進一步增加熱電子電流，這是一種 正反饋過程 ，會使MOS場效應晶體管的漏 源電流急劇上升，而迅速達到擊穿狀態(tài)，即降低擊穿電壓，甚至在 5V下也不能正常工作。 POSITIVE FEEDBACK LOOP can cause device destruction. 遷移率隨溫度的變化 當表面電場 電子和空穴的有效遷移率實際是常數，其數值等于半導體內遷移率的一半 實驗還發(fā)現 ，此時遷移率隨溫度上升而呈下降趨勢。在 較高溫度 下，反型層中的電子與空穴的遷移率 在 ?55～ +150℃ 的 較低溫度范圍 內 器件 β因子則具有負溫度系數。 閾值電壓與溫度關系 閾值電壓隨溫度的變化主要來源于費米勢和本征載流子 ni隨溫度的變化 對于 N溝器件 對于 N溝道器件，已知對于 P型硅：閾值電壓隨著溫度的升高， dUTn /dT ? 0。 實驗表明：在 ?55～ +125℃ 范圍內， N溝及 P溝 MOS場效應晶體管的閾值電壓都隨溫度呈線性變化。 由半導體的知識可得：在通常的范圍內： MOS管幾個主要參數的溫度關系 非飽和區(qū)溫度特性 —— 線性工作區(qū)（ 1）電流的溫度特性 漏極電流 增益因子溫度系數 第一項為負，第二項為正。當 UGS ?UT 較大時，第二項作用減弱，漏電流溫度特性主要受遷移率支配，即漏電流溫度系數為負，當 UGS ?UT 較小時，第二項起作用，對于 N溝 MOS，dUT /dT ? 0， 漏電流溫度系數為正。 選擇合適的 (UGS ?UT)值，可使 N溝漏電流的溫度系數為零。 零溫度系數的工作條件 （ 2） 跨導 的溫度特性 gm= ? UDS 溫度系數 在非飽和區(qū)，跨導隨溫度的變化僅與遷移率的溫度特性有關，因而跨導的溫度系數為負值。 （ 3） 漏極 電導的溫度特性 由 遷移率 與 閾值電壓 兩個因素決定的，即在適當的條件下，其溫度系數可減小到零。 飽和區(qū)溫度特性 飽和區(qū)跨導 gms等于線性區(qū)漏導，故其溫度系數 漏極 電導與 飽和電流 二者的溫度系數均受 遷移率 和 閾值電壓 溫度特性的影響，因而也都存在著 零溫度系數 工作點。