【正文】 遷移率嚴(yán)重下降。 現(xiàn)象：漏源穿通，短路。還有點(diǎn)漏電。 原因：襯底材料雜質(zhì)補(bǔ)償嚴(yán)重；柵絕緣層中正離子過(guò)多。 MOSFET的耗散功率主要耗散在溝道區(qū)，特別是夾斷區(qū)。 MOSFET輸入阻抗遠(yuǎn)高于 BJT和 JFET DSDSC VIP ??耗散功率 PC將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴蛊骷郎?，性能劣化。取決于柵氧化層的絕緣電阻值。 定義： VDS很小時(shí)， VDS與 IDS之比為導(dǎo)通電阻，記為 Ron. TGSnoxTGSDSDSon VVWLtVVIVR????????1)(10 ????DSonon RRRR ???*72 167。 實(shí)際上是 pn結(jié)的反向漏電流，對(duì) Sipn結(jié)主要是勢(shì)壘產(chǎn)生電流。（不同于 IDsat） ???????????????????溝取負(fù)號(hào)溝取正號(hào)pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnD S STGSoxnD s a tVD s a tD S S GS?????2022022)(2可見(jiàn)： IDSS與原始溝道導(dǎo)電能力有關(guān)：寬長(zhǎng)比、遷移率、原始溝道厚度(VT~ns)、 Cox… … 71 167。 對(duì)于 耗盡型 MOSFET， VGS=0時(shí)已有導(dǎo)電溝道。 MOSFET的 IV特性和直流特性曲線(xiàn) 三、 MOSFET的直流參數(shù) 閾值電壓 VT FoxBoxoxmsT CQCQVV ?2m a x ?????iDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2m a xm a x??????????iABSFAoxoxoxmsTn nNqkTVyVqNCCQVV ln2]})(2[2{1 210 ??????? ???對(duì)耗盡型器件，又稱(chēng) 夾斷電壓 ；對(duì)增強(qiáng)型器件，又稱(chēng) 開(kāi)啟電壓 它是通過(guò) VGS的變化，使導(dǎo)電溝道產(chǎn)生 /消失的臨界電壓，是 VGS能夠： ① 抵消金 半接觸電勢(shì)差 ② 補(bǔ)償氧化層中電荷 ③ 建立耗盡層電荷（感應(yīng)結(jié)） ④ 提供反型的 2倍費(fèi)米勢(shì) 70 167。 MOSFET的 IV特性和直流特性曲線(xiàn) 二、 MOSFET的特性曲線(xiàn) 輸出特性曲線(xiàn) DsatVDSI非飽和區(qū) 飽和區(qū) 截止區(qū) 輸出特性曲線(xiàn)描繪 IDS~VDS(VGS)關(guān)系 曲線(xiàn)分 4個(gè)區(qū)： 非飽和區(qū) ： VDSVdsat,， IDS~VDS近似線(xiàn)性關(guān)系，可調(diào)電阻區(qū) 飽和區(qū) ： VDsatVDSBVDS， 溝道漏端夾斷，IDS達(dá)飽和值 IDsat 截止區(qū) ：半導(dǎo)體表面沒(méi)有強(qiáng)反型導(dǎo)電溝道，僅有反向漏電流 擊穿區(qū) ：反偏漏 襯結(jié)擊穿， IDS劇增 65 圖 (a)是以襯底電位為參考點(diǎn)，以 VGB為參量的輸出特性 圖 (b)是以源極電位為參考點(diǎn)，以 VGS為參量的輸出特性 由于參考電位的不同，圖 (a)相當(dāng)于圖 (b)向右平移 VSB， 即 VDB比 VDS大VSB， VDB=VDS+VSB 同時(shí)， VGB=VGS+VSB（ 左、右兩圖中對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的溝道導(dǎo)電狀況相同） 襯底偏置（背柵）的作用 66 均以源極為參考電位時(shí)，隨襯底反偏增大，漏極電流減小 襯底反偏增大使半導(dǎo)體表面耗盡層加寬，電荷增加，反型溝道中載流子（電荷）減少，導(dǎo)電能力減小 ]21)[( 2DSDSTGSoxnDS VVVVL CWI ????? ?msiABSsAoxoxoxTn VnNqkTVyVVqNCCQV ??????? ln2]})([2{1 210??計(jì)算電流 電壓方程時(shí)僅考慮了V(y)的作用，未計(jì)入 VBS 67 167。Dsat VGSVT IDsat ① ② ③ 非飽和區(qū) 近似線(xiàn)性關(guān)系與即時(shí)，當(dāng) DSDSDSTGSDSTGSDS VIVVVIVVV ,)()( ????? ? 因?yàn)?， 當(dāng) VDS很小時(shí) ， 溝道壓降影響甚微 ， 溝道中各處電子濃度近似相同 ， 整個(gè)溝道近似為一個(gè)歐姆電阻 ， 上升變緩隨項(xiàng)增大，增大，隨著 DSDSDSDS VIVV 221* ? 因?yàn)?VDS增大，溝道壓降 V(y)由源到漏上升，使柵絕緣層上壓降由源到漏下降，反型層逐漸減薄， QB增加， Qn減小 oxoxBTGDDSGSnTGSDS VCyQVVVVLQVVV ??????? )(；0)( m a x）；（時(shí)，當(dāng) 此時(shí)，溝道漏端反型層消失，溝道被夾斷（預(yù)夾斷），漏極電流達(dá)最大值 Idsat 稱(chēng) 飽和漏源電流 2)(2 TGSD s a t VVI ?? ? 溝道夾斷在 y=L點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的VDS=VGSVT， 稱(chēng)為 飽和漏源電壓VDsat =VDsat 夾斷點(diǎn)處保持 V(y)=VDsat=VGSVT的溝道壓降，并隨 VDS的增加而向源端移動(dòng)，夾斷點(diǎn)與溝道漏端之間形成 夾斷區(qū) )。 MOSFET的 IV特性和直流特性曲線(xiàn) 一、 MOSFET的電流 電壓特性 目的： 方法： 獲得 IDS隨 VGS和 VDS的變化關(guān)系，即 ),( DSGSDS VVfI ?)()()()()(]2)([)(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQyQyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd???????????????????其中，可求得由形成電流在電場(chǎng)作用下，溝道中根據(jù)歐姆定律：??B Cox G VFB 54 55 假設(shè)： 1. 源接觸電極與溝道源端之間、漏接觸電極與溝道漏端之間的壓降可忽略 2. 反型層中載流子的遷移率 μn為常數(shù) 3. 溝道電流為漂移電流 4. 溝道與襯底之間的反向泄漏電流為零 5. 跨過(guò)氧化層而保持反型層電荷的沿 x 方向的電場(chǎng)分量 Ex與溝道中使載流子沿溝道長(zhǎng)度 y方向運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)分量 Ey無(wú)關(guān)，且 即滿(mǎn)足緩變溝道近似 yExE yx ?????? 溝道電場(chǎng) y方向變化很小 Y方向電場(chǎng)也很小 56 計(jì)算： 強(qiáng)反型情況下，離開(kāi)源端 y處，表面感應(yīng)總電荷面密度 Qs(y) )()()( yQyQyQ Bns ??溝道電流 ID沿溝道 y方向產(chǎn)生壓降 V(y)， 此時(shí)表面勢(shì) Fs yVyV ?2)()( ??MOS結(jié)構(gòu)強(qiáng)反型所需柵壓 FBsoxGS VyVyVV ??? )()(其中 oxoxoxsox tyECyQyV ???? )()()(故表面開(kāi)始（已經(jīng)）強(qiáng)反型時(shí) ]2)([)(2)()(FBFGSoxsFBFoxsGSVyVVCyQVyVCyQV?????????????B Cox G VFB 57 此時(shí)，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層中（電離受主）電荷面密度 210 ]}2)([2{)()( FAdAB yVqNyxqNyQ ??? ?????pn結(jié)外加電壓 pn結(jié)接觸電勢(shì)差 則 ])([]2)([)()()( m a xTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ???????????? ?說(shuō)明強(qiáng)反型后，多余的 VGS用于 Qn(y) 由歐姆定律 dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny ),())(,(),(),( ?????? ???]2)([)( FBFGSoxs VyVVCyQ ????? ?58 dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEyxyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),())(,(),(),(00?????????????????? ???????）積分，則有對(duì)溝道橫截面積（?? ???????????????????DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVCWyII00)]([)]([)()]([)(???]21)[( 2DSDSTGSoxnDS VVVVL CWI ????? ?n溝 MOSFET基本IV方程 59 ]21)[( 2DSDSTGSoxnDS VVVVL CWI ????? ?件結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)因子，是一個(gè)取決于器稱(chēng)令???LCW oxn ???]21)[( 2DSDSTGS VVVV ??? ?近似線(xiàn)性關(guān)系與即時(shí)，當(dāng) DSDSDSTGSDSTGSDS VIVVVIVVV ,)()( ????? ? 因?yàn)?， 當(dāng) VDS很小時(shí) ， 溝道壓降影響甚微 ， 溝道中各處電子濃度近似相同 ， 整個(gè)溝道近似為一個(gè)歐姆電阻 ，其阻值為： TGSnoxTGSDSDSVVWLtVVIVR????????1)(10 ????60 VDS IDS VGS VGS 39。 51 soxG VVV ??52 167。 強(qiáng)反型需要 Qn的屏蔽作用，使 xd → xdmax。0pspsFsissFspspssnppnVnpnVppnnV???????????反型：耗盡：平帶：49 002*,2*)( 0* ：1BssFnBsFsFsFiFspnVQpnVEEV????????，強(qiáng)反型很小但開(kāi)始出現(xiàn)并，弱反型，能帶由平帶彎曲至，耗盡，劃分????，強(qiáng)反型強(qiáng)反型開(kāi)始中反型中反型開(kāi)始弱反型弱反型開(kāi)始，耗盡：劃分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV?????????????????????????2*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO50 弱反型區(qū) dVs/dVGB較大，且近似為常數(shù)，而強(qiáng)反型時(shí)斜率變得很小，中反型區(qū)過(guò)渡 綜上所述： Vs=2φF時(shí)， ns=pB0， 但 Qn很小，故在前述討論中忽略是合理的 Vs=2φF時(shí)， Qn很小，以至在中反型區(qū)內(nèi)變化緩慢，其屏蔽作用 和 xdmax的真正實(shí)現(xiàn)都有較大誤差。 MOSFET的閾值電壓 三、關(guān)于反型程度劃分的討論 在以前的討論中，以 表面勢(shì)達(dá)到 2倍費(fèi)米勢(shì) ，即反型層載流子濃度等于體內(nèi)多子濃度為表面強(qiáng)反型的標(biāo)志 實(shí)際上， MOS器件工作在不同的柵壓下，其反型程度和反型載流子濃度變化規(guī)律也不同 47 48 kTVqikTqVpskTVqikTqVpssFsFsseneppenenn)(0)(0?????????MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面電荷密度與表面勢(shì)的關(guān)系 0000。欲得耗盡型，需采用特殊工藝或結(jié)構(gòu)，如制作 p預(yù)反型層，或利用 Al2O3膜的負(fù)電荷效應(yīng)，制作 Al2O3 /SiO2復(fù)合柵等。故等效為界面處的薄層電荷 ? 由 VT、 Qox及 N的共同作用使器件呈增強(qiáng)型或耗盡型 ?對(duì) nMOS： Qox若較大，則易為耗盡型。 X射線(xiàn)、 γ射線(xiàn)、高能 /低能電子束等照射 SiO2膜時(shí)產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，若同時(shí)存在電場(chǎng)，則電場(chǎng)使電子 空穴分離，正柵壓的電場(chǎng)使部分電子移向柵極并泄放，多余空穴在未被硅側(cè)電子補(bǔ)償時(shí)積聚在界面附近形成正電荷層 43 44 ? 上述 4種電荷的作用統(tǒng)歸于 Qox—— 等效電荷 ? 電荷本身與半導(dǎo)體表面的距離不同，對(duì)表面狀態(tài)的影響也不同。 這種由懸掛鍵引起的表面電子狀態(tài)稱(chēng)為表面態(tài) ，與 SiO2交界，又稱(chēng) 界面態(tài) 其帶電狀態(tài)與能帶彎曲有關(guān)，且有放電馳豫時(shí)間，應(yīng)盡量降低其密度 42 固定氧化物電荷 可動(dòng)離子