中國(guó)科大半導(dǎo)體器件物理課件5

1、 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-191Semiconductor Devices第五章： MOS器件5.1 MOS結(jié)構(gòu)及MOS二極管5.2 MOSFET的基本理論5.3 MOSFET的頻率特性5.4 MOSFET的擊穿特性5.5 MOSFET的功率特性5.6 MOSFET的開(kāi)關(guān)特性5.7 MOSFET的溫度特性5.8 MOSFET的短溝道效應(yīng)5.9 短溝道MOSFET 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-192Semiconductor Devices簡(jiǎn)介 MOSFET在半導(dǎo)體器件中占有相當(dāng)重要的地位，它是大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路中最主要的一種器件。 MOSF

2、ET是一種表面場(chǎng)效應(yīng)器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。它和前面介紹的JFET、MESFET統(tǒng)稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其工作以半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)為物理基礎(chǔ)。 與兩種載流子都參加導(dǎo)電的雙極晶體管不同，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理是以簡(jiǎn)單的歐姆定律為根據(jù)，而雙極晶體管是以擴(kuò)散理論為根據(jù)。雙極晶體管是電流控制器件，場(chǎng)效應(yīng)晶體管則是電壓控制器件。 與JFET和MESFET柵壓控制導(dǎo)電溝道截面積不同， MOS器件柵壓控制的是導(dǎo)電溝道的載流子濃度。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-193Semiconductor Devices 與雙極晶體管相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)是：（1）輸入阻抗高。一般為1010的

3、數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)1013，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小；（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。例如當(dāng)溫度升高后，F(xiàn)ET溝道中的載流子數(shù)略有增加，但同時(shí)又使載流子的遷移率稍為減小，這兩個(gè)效應(yīng)正好相互補(bǔ)償，使FET的放大特性隨溫度變化較小；（4）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的增益（即柵的跨號(hào)gm）在較大漏電流條件下基本上不變化。而雙極晶體管的hFE（IC）在大電流下卻很快下降；（5）噪聲系數(shù)小，這是因?yàn)镕ET依靠多子輸運(yùn)電流，故不存在雙極晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲；（6）抗輻射能力強(qiáng)。雙極晶體管受輻

4、射后非平衡少子壽命降低，故電流增益下降。FET的特性與載流子的壽命關(guān)系不大，故抗輻射性能較好；（7）增強(qiáng)型MOS晶體管之間存在著天然的隔離，可以大大地提高M(jìn)OS集成電路的集成度。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-194Semiconductor Devices 場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極晶體管相比也存在一些缺點(diǎn)：（1）工藝環(huán)境要求高；（2）場(chǎng)效應(yīng)管的速度比雙極晶體管的速度低等。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-195Semiconductor Devices5.1 MOS結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)及MOS二極管1、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

5、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0EFEvEcEiWqNQAsc電荷分布E(X)x電場(chǎng)分布xwQm-d)(x 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1919Semiconductor Devices反型:kTEEipiFenn 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1920Semiconductor Devices強(qiáng)反型:xwmQm-dQnQscmAnscnsWqNQQQQxE(x) 一旦反型層形成，能帶只要再向下彎一點(diǎn)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于耗盡層寬度增加很小，就會(huì)使反型層內(nèi)的電荷Qn大大增加，因此表面耗盡層寬度達(dá)到最大值 Wm。)(x 中國(guó)科學(xué)

6、技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1921Semiconductor Devices表面耗盡區(qū) 半導(dǎo)體內(nèi)靜電勢(shì)為0，參考零點(diǎn)取本征費(fèi)米能級(jí)Ei0在半導(dǎo)體表面s)0(EFEiSemiconductor surfaceECEvEgBqsqOxidexP-type silicon)(xq0s 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1922Semiconductor Devices表面處載流子濃度為:kTqiSBsenn)(kTqiSsBenp)( 表面勢(shì)分為以下幾種：0s空穴積累 (能帶向上彎曲)0s平帶條件0sB空穴耗盡 (能帶向下彎曲)Bs本征狀態(tài) ns=np=niBs反型 (能帶向

7、下彎曲) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1923Semiconductor Devices表面勢(shì)列表（P型襯底）S柵壓表面載流子濃度表面狀態(tài)表面能帶S0VG0nsn0, psp0空穴積累向上彎曲S=0VG=0ns =n0, ps= p0 中性表現(xiàn)平帶BS0BVG0ns n0, ps p0空穴耗盡向下彎曲B=S0VG=B0ns=ps=ni本征表面向下彎曲(Ei與EF在表面相交)2BSBVGBnsps弱反型向下彎曲(Ei在表面內(nèi)與EF相交)S2BVG2Bnsp0ps強(qiáng)反型向下彎曲(EiEF)體內(nèi)=(EFEi)表面 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1924Semicon

8、ductor Devices 討論：（1）表面勢(shì)S=0時(shí)，表面與體內(nèi)的電勢(shì)相同，即為平帶條件。這是“表面積累”和“表面耗盡”兩種狀態(tài)的分界；（2）S=B時(shí)，Ei和EF在表面處相交，表面處于本征狀態(tài)。這是“表面耗盡”和“表面反型”兩種狀態(tài)的分界；（3）S=2B時(shí)，是“弱反型”和“強(qiáng)反型”的分界。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1925Semiconductor Devices 對(duì)于MOSFET來(lái)說(shuō)，最令人關(guān)注的是反型的表面狀態(tài)。當(dāng)柵偏壓VG0時(shí)，P型半導(dǎo)體表面的電子濃度將大于空穴濃度，形成與原來(lái)半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相反的N型導(dǎo)電層，它不是因摻雜而形成的，而是由于外加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)而在原P

9、型半導(dǎo)體表面感應(yīng)出來(lái)的，故稱為感應(yīng)反型層。這一反型層與P型襯底之間被耗盡層隔開(kāi)，它是MOSFET的導(dǎo)電溝道，是器件是否正常工作的關(guān)鍵。反型層與襯底間的PN結(jié)常稱為感應(yīng)結(jié)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1926Semiconductor Devices7、表面強(qiáng)反型條件 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)。這種情況稱為“弱反型”。為在表面形成實(shí)用的N型溝道，就必須規(guī)定一個(gè)實(shí)用的反型標(biāo)準(zhǔn)。 一般人們常用的最好標(biāo)準(zhǔn)就是“強(qiáng)反型”條件（或稱“強(qiáng)反型”近似）。 強(qiáng)反型近似認(rèn)為：當(dāng)

10、外加?xùn)烹妷涸黾拥侥骋恢担╒G0）時(shí)，能帶向下彎曲到使表面處的Ei在EF下方的高度正好等于半導(dǎo)體內(nèi)部Ei在EF上方的高度。也就是說(shuō)表面處N型層的電子濃度正好等于P型襯底的空穴濃度。這就是“強(qiáng)反型”條件。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1927Semiconductor Devices和距離x的關(guān)系可由一維泊松方程得到。ssxdxd)(22當(dāng)半導(dǎo)體被耗盡，由積分泊松方程得表面耗盡區(qū)中的靜電勢(shì)分布：21Wxs表面勢(shì)s為:SAsWqN222 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1928Semiconductor Devices強(qiáng)反型出現(xiàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)是: iABsnNqkTinv

11、ln22)(表面耗盡層最大寬度為：AiAsABsmqNnNkTqNWln2)2(2同時(shí)，)2(2BAsscNqQ 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1929Semiconductor Devices表面電荷和表面勢(shì) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1930Semiconductor Devices Si和GaAs最大耗盡區(qū)寬度 Wm 與摻雜濃度NB的關(guān)系 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1931Semiconductor DevicesQmDepletion regionxw-d-Qn-qNA)(xsEFECEi0qV0VBqsqjxEFInversio

12、n regionEvQSNeutrals region 能帶圖(p-type substrate)反型時(shí)電荷分布 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1932Semiconductor Devices)(x-d0wx0oxsQ電場(chǎng)分布-dv0vswx0)(x電勢(shì)分布沒(méi)有功函數(shù)差時(shí)，外加電壓分為兩部分：sVV0000CQdVS 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1933Semiconductor Devices8、MOS二極管CV特性 MOS電容定義為小信號(hào)電容，在直流電壓上疊加一小的交流電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。dtdVCdtdVdVdQdtdQIGGGGG 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理

13、系微電子專業(yè)2022-4-1934Semiconductor Devices低低頻電頻電容容 低頻或準(zhǔn)靜態(tài)下， 多子和少子能跟得上交變信號(hào)的變化，達(dá)到靜態(tài)平衡。)2exp(kTqQsssgoxsSoxVqkTCddQCC211111oxCVQCSiCoxCQQ 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1935Semiconductor Devices dsisasisddWqNdQdC2)(soxsaisoxdagCqNCWqNV2)2(12asigoxoxqNVCCCoxCDCQQW 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1936Semiconductor DevicesoxC

14、invCsgoxsSoxVqkTCddQCC211111QQwdm 一旦發(fā)生強(qiáng)反型，對(duì)應(yīng)電容CSi增大，因此總電容將保持最小值，基本上就是Cox。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1937Semiconductor Devices 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。 高測(cè)量頻率下，增加的電荷出現(xiàn)在耗盡區(qū)邊緣，反型層電荷跟不上交變信號(hào)的變化。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1938Semiconductor DevicesP襯底MOS二極管的

15、C-V特性曲線 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1939Semiconductor Devices)(minSmoxoxoxWCdC 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1940Semiconductor Devices討論：（1）CV特性是MOS二極管的基本特性。通過(guò)CV特性的測(cè)量，可以了解半導(dǎo)體表面狀態(tài)，了解SiO2層和SiO2/Si界面各種電荷的性質(zhì)，測(cè)定Si的許多重要參數(shù)（如摻雜和少子壽命等）。（2）對(duì)于n型襯底，只需適當(dāng)改變正負(fù)號(hào)和符號(hào)，CV曲線相同，但互為鏡像，且n型襯底MOS二極管的閾值電壓是負(fù)的。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1941S

16、emiconductor Devices5.2 MOSFET的基本理論 MOSFET是一種表面場(chǎng)效應(yīng)器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。 對(duì)于微處理器、半導(dǎo)體存貯器等超大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)是最重要的器件，也日益成為一種重要的功率器件。 這類器件包括：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）。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1942Semiconductor Devices1、基本結(jié)構(gòu)和工作原理 N溝MOSFET的結(jié)構(gòu)：在P型襯底上擴(kuò)散（或離子注入）兩個(gè)N+區(qū)，左邊的N+區(qū)稱源區(qū)，右邊的N+區(qū)稱漏區(qū)，分別

17、用S和D表示。兩擴(kuò)散區(qū)之間的區(qū)域是溝道區(qū)。在溝道區(qū)的半導(dǎo)體表面熱生長(zhǎng)一層二氧化硅薄膜作為柵介質(zhì)。然后再在柵氧化層和源漏擴(kuò)散區(qū)上制作金屬電極，分別稱為柵電極（G）、源極（S）和漏極（D）。在P型襯底上也做一個(gè)金屬電極，稱為襯底接觸，又叫第二柵極，用B表示。主要器件結(jié)構(gòu)是二結(jié)之間的距離L；溝道寬度Z；柵氧化層厚度d；源漏結(jié)深度xj；襯底摻雜濃度NA等。 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。一般情況下，源和襯底是短接的，故也取為零電位。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1943Semiconductor DevicesN型MOSFET的基本結(jié)構(gòu) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理

18、系微電子專業(yè)2022-4-1944Semiconductor DevicesMOSFET的透視圖 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1945Semiconductor DevicesMOSFET的工作原理使用MOSFET時(shí)，源端通常接地。當(dāng)柵壓VGS=0時(shí)，源漏之間兩個(gè)背靠背的pn結(jié)總有一個(gè)處于反偏，源漏之間只能有很小的pn結(jié)反向漏電流流過(guò)。 VGS0時(shí)，此電壓將在柵氧化層中建立自上而下的電場(chǎng)，從柵極指向半導(dǎo)體表面，在表面將感應(yīng)產(chǎn)生負(fù)電荷。隨VGS增大，p型半導(dǎo)體表面多子（空穴）逐漸減小直至耗盡，而電子逐漸積累直至反型。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。此時(shí)若

19、在漏源之間加偏置電壓VDS，載流子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)電溝道，從源到漏，由漏極收集形成漏電流。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1946Semiconductor Devices MOSFET能工作的關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)電溝道，而表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才有溝道。 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稱為閾值電壓。 當(dāng)VGSVT并逐漸增大時(shí)，反型層的厚度將逐漸增厚，導(dǎo)電電子數(shù)目逐漸增多，即反型層的導(dǎo)電能力增加，IDS將會(huì)提高，實(shí)現(xiàn)柵壓對(duì)電流的控制。漏源電壓保證載流子由源區(qū)進(jìn)入溝道，再由漏區(qū)流出。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1947Semiconduc

20、tor DevicesMOSFET分類 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1948Semiconductor Devices2、非平衡狀態(tài) MOS二極管中，有柵壓存在時(shí)，金屬的EFM和半導(dǎo)體的EFp不再一致， EFM- EFM=-qVGB但因?yàn)闆](méi)有電流流動(dòng)，半導(dǎo)體從表面到體內(nèi)仍具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，即仍處于平衡狀態(tài)。 在MOSFET中，由于源漏分別與襯底形成pn結(jié)，器件工作時(shí)，源區(qū)、漏區(qū)及溝道具有相同的導(dǎo)電極性，因此漏區(qū)或源區(qū)pn結(jié)的反偏將導(dǎo)致表面溝道與襯底形成的pn結(jié)也處于反偏狀態(tài)，并流過(guò)一定的反向電流，所以溝道中載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)EFn與襯底的費(fèi)米能級(jí)EFp分開(kāi)，這就是MOS器件

21、的非平衡狀態(tài)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1949Semiconductor Devices 緩變溝道近似（GCA）假定電場(chǎng)沿溝道方向的分量變化比垂直分量的變化要小很多，稱為緩變溝道近似。GCA在溝道長(zhǎng)度L柵氧化層dox下成立，即對(duì)長(zhǎng)溝道器件中基本適用，對(duì)短溝道器件必須慎重。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1950Semiconductor Devices3、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)S=2B（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

22、為 OXBBCQ)2(OXFBBFBTCQVV)2(2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1951Semiconductor Devices 對(duì)NMOS， 對(duì)PMOS，iABnNqkTln2121)(maxmax)4( )2(BAsinvsAsdABqNqNxqNQiDBnNqkTln21maxmax)4(BDsdDBqNxqNQOXFBBOXoxmsOXFBBFBTCQCQCQVV)2(2)2(2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1952Semiconductor Devices 上式中各參量符號(hào)對(duì)VGS（th）的影響 MOSFET類型襯底材料型號(hào)msBQBQOXV

23、GS（th）N溝MOSFETP-+-+0(增強(qiáng))0(耗盡)P溝MOSFETN-+0（增強(qiáng)） 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1953Semiconductor Devices 在MOS集成電路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中， VT的控制很重要。大多數(shù)應(yīng)用中需要增強(qiáng)型器件（對(duì)于NMOS比較困難）。為了有效調(diào)節(jié)閾值電壓，常使用離子淺注入方法，即通過(guò)柵氧化層把雜質(zhì)注入到溝道表面的薄層內(nèi)，其作用相當(dāng)于有效界面電荷。閾值電壓的改變由下式估算：OXITCqNV其中，NI是注入劑量，單位：/cm2，注入p型，取“”；注入n型，取 “”。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1954Semicondu

24、ctor Devices 離子注入到溝道表面內(nèi) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1955Semiconductor Devices 施加反向襯底電壓也能調(diào)整VT，對(duì)n溝器件，這時(shí)溝道源端在強(qiáng)反型時(shí)的耗盡層電荷為： 其中，VBS表示襯底相對(duì)于源端的外加電壓。N溝器件襯底為p型， VBS0。對(duì)N溝器件，有：BSBbVQ2)22(BBSBTVVoxASCqN /2其中，反映襯底偏壓對(duì)VT影響的強(qiáng)弱程度。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1956Semiconductor DevicesBBSBAsTVCqNV2220 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1957

25、Semiconductor Devices 氧化層厚度對(duì)VT也有影響。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。這一點(diǎn)對(duì)MOS器件以外區(qū)域的半導(dǎo)體表面十分重要，這些區(qū)域稱為場(chǎng)區(qū)。場(chǎng)氧化層比柵氧化層厚得多。場(chǎng)區(qū)的閾值電壓可高達(dá)幾十伏，比柵壓大一個(gè)數(shù)量級(jí)，適用于MOS器件之間的隔離。 為了防止寄生溝道的產(chǎn)生，場(chǎng)區(qū)必須進(jìn)行高濃度摻雜，使表面不容易反型，從而將溝道隔斷開(kāi)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1958Semiconductor Devices 改變氧化層厚度場(chǎng)區(qū)的閾值電壓VT高達(dá)幾十伏，比柵壓大一個(gè)數(shù)量級(jí) 中國(guó)科學(xué)

26、技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1959Semiconductor Devices 由于Qox總呈現(xiàn)為正電荷效應(yīng)，因此常規(guī)工藝作出的P溝MOSFET的閾值電壓只能是負(fù)的，即總是增強(qiáng)型的。 Qox對(duì)VT影響很明顯，隨Qox的增大，VT向負(fù)值方向增大。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)。 閾電壓與氧化層電容（COX）還有關(guān)系，減小厚度以增大電容就可以降低閾電壓。但過(guò)薄的氧化層給工藝帶來(lái)更多的困難（如增加針孔等），可以選用介電常數(shù)更高的介質(zhì)材料，如氮化硅（相對(duì)介電常數(shù)為7.5）介質(zhì)就

27、是一例。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1960Semiconductor Devices4、MOSFET的直流特性 以n溝MOSFET為例，定量分析其電流電壓特性，導(dǎo)出電流電壓方程。為數(shù)學(xué)處理上的方便，就MOSFET的基本物理模型作如下假設(shè)： （1）一維近似。源區(qū)和漏區(qū)以及溝道邊緣的耗盡層都忽略不計(jì)，只考慮溝道中的電流及電壓沿y方向的變化。（2）溝道區(qū)不存在復(fù)合一產(chǎn)生電流。（3）反型溝道內(nèi)的摻雜是均勻的。（4）溝道內(nèi)的擴(kuò)散電流比電場(chǎng)引起的漂移電流小得多，且溝道內(nèi)載流子的遷移率為常數(shù)。（5）強(qiáng)反型近似，即當(dāng)半導(dǎo)體表面能帶彎曲量為2B，溝道開(kāi)始導(dǎo)電。（6）溝道與襯底間的反向飽和電

28、流很小，可以忽略不計(jì)。（7）不考慮源區(qū)和漏區(qū)的體電阻以及接觸電阻。（8）采用肖克萊的緩變溝道近似，即假設(shè)跨過(guò)氧化層的垂直于溝道方向的橫向電場(chǎng)Ex比沿著溝道方向的縱向電場(chǎng)Ey大得多。也就是說(shuō)，這表明沿溝道長(zhǎng)度方向的電場(chǎng)變化很慢，故有xEyExy 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1961Semiconductor Devices 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1962Semiconductor Devices0)()(CyVyQsGs)(22)(yVqNWqNyQBAsmAsc)()()(yQyQyQscsndxxLZgx)(10dRIdVDgLdydR 232300

29、)2()2(23222BBGAsDDBGnVCqNVVVCLZI 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1963Semiconductor Devices N溝道MOSFET的基本電流一電壓方程，即一般的表達(dá)式。 該式表明，MOSFET的漏電流是柵電壓VGS和漏電壓VDS的函數(shù)。對(duì)于給定的柵壓，漏電流隨漏電壓的增加而增大。 )2()2()2(132 )212()(232321000BBDSAsOXDSDSBFBGSOXnyVnnDVqNCVVVVCLZdydVyZQIDS 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1964Semiconductor Devices（a）線性區(qū)電流

30、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1965Semiconductor Devices 線性區(qū)工作的直流特性方程，由薩支唐首先提出，故常稱為薩氏方程。 當(dāng)VDS很小時(shí)，滿足VDS（VGS-VT），則可簡(jiǎn)化為 2)(2)(DSDSthGSGSOXnDVVVVCLZIDSthGSGSOXnDVVVCLZI)()( 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1966Semiconductor Devices線性工作狀態(tài)近似為阻值恒定的歐姆電阻DDVI)(0tanTGntconsVDDDVVCLZVIgGDntconsVGDmVCLZVIgD0tanDSTGnDVVVCLZI)(0 中國(guó)

31、科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1967Semiconductor Devices 當(dāng)VDSB時(shí)，隨著VDS稍有增大時(shí)，溝道壓降也上升，使柵絕緣層上壓降從源端到漏端逐漸下降，致使反型層溝道逐漸減薄?？紤]到溝道壓降影響，可得薩氏方程 由此可以看出ID的上升會(huì)變緩，特性曲線變彎曲狀。 （b）非線性區(qū)2)(2)(DSDSthGSGSOXnDVVVVCLZI 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1968Semiconductor Devices 隨著漏電壓的增加,柵與溝道的電壓VGS-V(y)將不斷減小。由于V(y)沿y方向增大，所以在漏端（y=L處）V(L)=VDS。這里是柵與溝

32、道間的最小電壓處，且等于VGS-VDS。當(dāng)（VGS-VDS）小于閾值電壓時(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)。這種情況就稱為溝道被夾斷，y=L點(diǎn)被稱為夾斷點(diǎn)。 （c）飽和區(qū) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1969Semiconductor Devices夾斷點(diǎn)PThe thickness of inversion xi (y=L) =0 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1970Semiconductor Devices溝道漏端夾斷的溝道漏端夾斷的nMOSFET 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1971Semiconductor

33、Devices從另一方面來(lái)看，溝道漏端從另一方面來(lái)看，溝道漏端 LVVVCLQTGSoxnVDS=VDsat=VGS-VT時(shí)，時(shí)，Qn(L)=0這種情況叫做漏端溝道夾斷。這種情況叫做漏端溝道夾斷。 現(xiàn)在一般用溝道漏端夾斷來(lái)解釋長(zhǎng)溝道器件現(xiàn)在一般用溝道漏端夾斷來(lái)解釋長(zhǎng)溝道器件VDSVDsat時(shí)時(shí)的漏極電流飽和現(xiàn)象。這需要從幾個(gè)方面來(lái)加以說(shuō)明。的漏極電流飽和現(xiàn)象。這需要從幾個(gè)方面來(lái)加以說(shuō)明。 首先首先VDS超過(guò)超過(guò)VDsat以后，溝道夾斷點(diǎn)的電勢(shì)始終都等于以后，溝道夾斷點(diǎn)的電勢(shì)始終都等于VGS-VT。設(shè)想夾斷點(diǎn)移動(dòng)到設(shè)想夾斷點(diǎn)移動(dòng)到y(tǒng)=L，則有，則有 0LVVVCLQTGSoxn很容易看的出來(lái)很容

34、易看的出來(lái)TGSVVLV) (由此得出結(jié)論，未夾斷區(qū)的電壓將保持等于由此得出結(jié)論，未夾斷區(qū)的電壓將保持等于VGS-VT不變。不變。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1972Semiconductor Devices 其次，當(dāng)其次，當(dāng)VDVDsat時(shí)，超過(guò)時(shí)，超過(guò)VDsat的那部分外加電壓，即的那部分外加電壓，即VDS-VDsat，降落在夾斷區(qū)上。夾斷區(qū)是已耗盡空穴的空間電，降落在夾斷區(qū)上。夾斷區(qū)是已耗盡空穴的空間電荷區(qū)，電離受主提供負(fù)電荷，漏區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)中的電離荷區(qū)，電離受主提供負(fù)電荷，漏區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)中的電離施主提供正電荷，它們之間建立沿溝道電流流動(dòng)方向（施主提供正電荷，

35、它們之間建立沿溝道電流流動(dòng)方向（y方方向）的電場(chǎng)和電勢(shì)差，漏區(qū)是高摻雜的，漏區(qū)和夾斷區(qū)沿向）的電場(chǎng)和電勢(shì)差，漏區(qū)是高摻雜的，漏區(qū)和夾斷區(qū)沿y方向看類似于一個(gè)方向看類似于一個(gè)N+P單邊突變結(jié)，結(jié)上壓降增大時(shí)空間電單邊突變結(jié)，結(jié)上壓降增大時(shí)空間電荷區(qū)主要向荷區(qū)主要向P區(qū)一側(cè)擴(kuò)展。所以當(dāng)夾斷區(qū)上電壓降（區(qū)一側(cè)擴(kuò)展。所以當(dāng)夾斷區(qū)上電壓降（VDS-VDsat）增大時(shí)，夾斷區(qū)長(zhǎng)度增大時(shí)，夾斷區(qū)長(zhǎng)度 擴(kuò)大，有效溝道長(zhǎng)度擴(kuò)大，有效溝道長(zhǎng)度L縮短?？s短。L 對(duì)于長(zhǎng)溝道對(duì)于長(zhǎng)溝道MOSFET，如果在所考慮的，如果在所考慮的VDS范圍內(nèi)始終是范圍內(nèi)始終是 VDsat情形下，未夾斷區(qū)的縱向及橫向電場(chǎng)和情形下，未夾斷區(qū)

36、的縱向及橫向電場(chǎng)和電荷分布基本上與電荷分布基本上與VDVDsat時(shí)相同，從溝道點(diǎn)到源端之間的時(shí)相同，從溝道點(diǎn)到源端之間的電阻因而也保持不變?？紤]到電阻因而也保持不變?？紤]到 VDVDsat未夾斷區(qū)壓降始終等未夾斷區(qū)壓降始終等于于VGS-VT，所以漏極電流恒定不變，這就是電流飽和。，所以漏極電流恒定不變，這就是電流飽和。L 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1973Semiconductor Devices 溝道夾斷時(shí)的漏電壓 ) 1)(2(1 22122kVVkVVVFBGSBFBGSDSat式中210)(1AsOXqNCk是一個(gè)與溝道區(qū)平均耗盡電荷及氧化層性質(zhì)有關(guān)的量。對(duì)于中等程

37、度以下的摻雜濃度的襯底及薄氧化層的情況，k21。)(2thGSGSBFBGSDSatVVVVV夾斷點(diǎn)的漏電壓VDSat并不是常數(shù)，而是隨柵壓而增大。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1974Semiconductor Devices 當(dāng)漏電壓在VDSat的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大時(shí)，漏耗盡區(qū)增寬，使夾斷點(diǎn)y的位置稍許向源端移動(dòng)。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。因此可以近似認(rèn)為溝道長(zhǎng)度和溝道電阻都不變化。則加在y點(diǎn)上的漏電壓也等于剛夾斷時(shí)的漏電壓。這樣，溝道載流子對(duì)漏電流的貢獻(xiàn)就和剛夾斷時(shí)一樣，這些溝道載流子一旦到達(dá)漏耗盡區(qū)邊界就立即被耗盡區(qū)電場(chǎng)掃入漏區(qū)而形成漏

38、極電流。所以?shī)A斷后的漏電流與漏電壓無(wú)關(guān)，保持常數(shù)。 飽和區(qū)工作的漏電流表達(dá)式 ： 2)()(2thGSGSOXnDSSVVCLZI在飽和區(qū)，漏電流與漏電壓VDS無(wú)關(guān)。它只是柵電壓VGS的函數(shù)，當(dāng)柵壓固定時(shí)，IDSS為一常數(shù)，亦即漏電流飽和。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1975Semiconductor Devices飽和區(qū)電流 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1976Semiconductor Devices飽和區(qū) (VDVDsat)ID=constant202TGnDsatVVLCZI0tantconsVDDDGVIgTGoxntconsVGDmVVdLZV

39、IgDtanL L 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1977Semiconductor Devices 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。 從實(shí)際MOSFET的輸出特性來(lái)看，在飽和區(qū)的特性曲線有一定的傾斜，即ID并不飽和。漏電流ID隨漏電壓VDS變大的主要原因有兩個(gè)：（1）溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)；（2）是漏區(qū)與溝道區(qū)之間的靜電反饋效應(yīng)。 將在后面飽和區(qū)漏電導(dǎo)參數(shù)中進(jìn)行討論。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1978Semiconductor Devices亞閾值區(qū)電流電壓特性 上面導(dǎo)出的MOSFET的

40、電流電壓方程使用了強(qiáng)反型條件。該條件認(rèn)為只有在柵電壓等于或大于閾電壓時(shí)才有電流流過(guò)溝道。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)。比較理論和實(shí)驗(yàn)曲線可知，當(dāng)柵電壓低于低于閾電壓時(shí)，漏電流存在，只不過(guò)它具有較小的值。一般把柵壓低于閾電壓時(shí)的漏電流稱為亞閾電流。對(duì)應(yīng)的工作區(qū)稱為亞閾區(qū)。 亞閾電流的存在，使器件截止時(shí)的漏電流增大，影響器件作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)的開(kāi)關(guān)特性，并增大了靜態(tài)功耗。因此，對(duì)工作在低電壓或低功耗應(yīng)用的器件，減小亞閾電流就成為設(shè)計(jì)者的任務(wù)之一。亞閾電流對(duì)短溝道MOSFET的影響更明顯。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1979Semicond

41、uctor Devices弱反型（亞閾值）區(qū) VGS表面的空穴濃度，但體內(nèi)的空穴濃度，故溝道中的可動(dòng)載流子濃度很小，且源端和漏端的電子數(shù)相差很多。如果在整個(gè)溝道長(zhǎng)度范圍內(nèi)，柵壓引起的表面勢(shì)S 近似為常數(shù)，對(duì)于源端的半導(dǎo)體表面勢(shì)為S ，則加上漏源電壓時(shí)，溝道中源端和漏端的能帶彎曲量就不同了，源端到漏端逐漸變?nèi)?，從而使溝道的源端和漏端出現(xiàn)載流子濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散電流。在漏源電壓作用下就會(huì)有漏電流流過(guò)溝道。因而這一電流和NPN雙極晶體管基區(qū)的情況類似。N溝MOSFET的亞閾電流主要就是由溝道中這一擴(kuò)散電流分量決定。采用類似于均勻其區(qū)晶體管求集電極電流的方法就可求得MOSFET的亞閾電流值 中國(guó)科學(xué)技術(shù)

42、大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1981Semiconductor Devices 式中A是電流流過(guò)的截面積，n（x）表示溝道中半導(dǎo)體表面處的電子濃度，n（0）和n（L）分別表示溝道中源端和漏端的電子濃度。 電流流過(guò)的溝道截面積A等于溝道寬度Z和有效溝道厚度d的乘積。 LLnnqADdydnAqDInnD)()0()exp()0(0kTqnns)(exp)(0kTVqnLnDSs 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1982Semiconductor Devices 定義為有效溝道厚度deff：反型層內(nèi)表面勢(shì)S下降KT/q時(shí)的距離。 故亞閾值（弱反型）電流表達(dá)式為：seffqEkT

43、d2100)/2(/ssAsBsqNQE)1 ()2()(22102kTqVkTqAisAsnDDSseeNnqNqqkTLZI 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1983Semiconductor Devices亞閾值區(qū)漏電流主要為擴(kuò)散電流 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1984Semiconductor Devices 為表征亞閾值電流隨柵壓的變化，引入亞閾值斜率參數(shù)S： 表示ID改變一個(gè)數(shù)量級(jí)所需要的柵壓擺幅。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。10lnlnlog110dsgsgsdsIddVdVIdS 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專

44、業(yè)2022-4-1985Semiconductor Devices亞閾值斜率 S對(duì)長(zhǎng)溝道器件有：oxdmgdsCCqkTqkTdVIdS13 . 23 . 2log110sgsddVqkTS3 . 2上式還可以表達(dá)為： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1986Semiconductor Devices 當(dāng)MOSFET處于弱反型區(qū)時(shí)，其漏電流除了來(lái)源于弱反型溝道中載流子的擴(kuò)散電流外，反偏漏結(jié)的反向電流也是其組成部分。但漏結(jié)的反向電流通常只有10-12A的數(shù)量級(jí)，而弱反型的溝道電流都可以達(dá)到10-8A的數(shù)量級(jí)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1987Semicondu

45、ctor Devices5、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。非飽和區(qū)：VDSVDsat，可調(diào)電阻區(qū)飽和區(qū)： VDsatVDSBVDS，出現(xiàn)夾斷，不同柵壓對(duì)應(yīng)不同的IDsat和VDsat。截止區(qū)：半導(dǎo)體表面不存在導(dǎo)電溝道。 雪崩區(qū)：由于反向偏置的漏襯底結(jié)雪崩倍增而擊穿，致使IDS急劇增大。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1988Semiconductor DevicesnMOSFET的輸出特性曲線的輸出特性曲線 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1989Semiconductor Devices MOSFET 理想漏電特性 中國(guó)

46、科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1990Semiconductor Devices 襯底偏置電壓VSB對(duì)輸出特性曲線有影響：相同的VGS，VSB越大，IDS越小。這是由于襯底偏壓愈大，VT愈高，造成IDS愈小的結(jié)果。 轉(zhuǎn)移特性曲線：表征器件柵源輸入電壓VGS對(duì)漏源輸出電流IDS的控制能力。對(duì)四種類型的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。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1991Semiconductor Devices6、直流參數(shù)MOSFET的直流參數(shù)有閾值電 壓VT，飽和漏電流IDSS，截止漏電流，導(dǎo)通電阻Ron，柵電流以

47、及漏源擊穿電壓，穿通電壓和柵一源擊穿電壓等。飽和漏電流IDSS 對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，已經(jīng)導(dǎo)出過(guò)對(duì)于耗盡型MOSFET， 202TGnDsatVVLCZI22TOXDSSVCLZI 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1992Semiconductor Devices截止漏電流對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，VGS=0時(shí)，柵下不存在導(dǎo)電溝道，源擴(kuò)散區(qū)與襯底、漏擴(kuò)散區(qū)與襯底形成兩個(gè)獨(dú)立的互不相通的背靠背pn結(jié)。加上漏源電壓VDS后，漏極電流應(yīng)該等于P-N結(jié)的反向飽和電流。這個(gè)電流就叫做截止漏電流。對(duì)于N溝MOSFET，在二氧化硅絕緣層中總是存在正電荷，如果正電荷密度很高，就可能在柵氧化層或場(chǎng)

48、氧化層下面感應(yīng)出微弱的反型層，產(chǎn)生表面漏電流。一旦這種弱反型層與器件的缺陷相連或延伸到晶片周圍，就會(huì)產(chǎn)生可觀的漏極電流。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1993Semiconductor Devices導(dǎo)通電阻當(dāng)漏源電壓VDS很小時(shí)，MOSFET工作在非飽和區(qū)，此時(shí)輸出特性曲線為一直線，即此時(shí)器件相當(dāng)于一個(gè)電阻，其阻值由漏極電壓VDS與漏極電流IDS的比值決定，定義為導(dǎo)通電阻或溝道電阻，用Ron表示之。1)(0thGSGSOXnVDDSonVVCZLIVRDSRon與溝道的寬長(zhǎng)比（Z/L）成反比。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

49、件的功耗。因此，Ron是一個(gè)重要參數(shù)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1994Semiconductor Devices柵源直流輸入阻抗柵源兩極為MOSFET的輸入電極，因而MOSFET直流輸入阻抗就是柵源直流絕緣電阻RGS。由于金屬柵極與半導(dǎo)體層隔著一層絕緣性能良好的柵氧化層，所以RGS主要就是柵極下SiO2層的絕緣電阻。只要柵氧化層上沒(méi)有嚴(yán)重的缺陷， RGS一般都可以達(dá)到109以上。 所以當(dāng)其上加上電壓后,柵極電流非常小。對(duì)于熱生長(zhǎng)的二氧化硅，柵電流約為10-10A/cm2，因此，MOSFET的輸入阻抗是非常高的，大約在10141016,這正是單極型晶體管優(yōu)越于雙極型晶體管

50、的重要標(biāo)志之一。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。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1995Semiconductor Devices最大耗散功率PCMMOSFET的耗散功率為PC=VDSIDS耗散功率將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽蛊骷囟壬仙?，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)

51、及管殼的散熱條件。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1996Semiconductor Devices5.3 MOSFET的頻率特性1、低頻小信號(hào)參數(shù)（1）柵跨導(dǎo)gmMOSFET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(lái)描述MOSFET的小信號(hào)放大性能。故跨導(dǎo)是一個(gè)重要參量?？鐚?dǎo)的定義是：當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGS的改變所引起ID的變化量。 CVGSDmDSVIg 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1997Semiconductor Devices 線性區(qū)： 非線性區(qū)： 飽和區(qū)：DSthGSGSOXnDVVVCLZI)()(2)(2)(D

52、SDSthGSGSOXnDVVVVCLZIDSDSoxnmVVCLZgDSmVg2)()(2thGSGSOXnDSSVVCLZI)()(thGSGSmVVg 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1998Semiconductor Devices 線性區(qū)和飽和區(qū)的跨導(dǎo)都與器件的溝道長(zhǎng)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(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。 還有一點(diǎn)值得注意，飽和區(qū)的跨導(dǎo)與線性區(qū)的不同，它與VDS無(wú)關(guān)，而與柵壓VGS成線性關(guān)系。飽和區(qū)的跨導(dǎo)恰好

53、是導(dǎo)通電阻Ron的倒數(shù)。 當(dāng)溝道長(zhǎng)度L很小或柵氧化層厚度d很薄時(shí)，跨導(dǎo)可能變得非常大。然而實(shí)際研究結(jié)果表明，跨導(dǎo)的理論最大極限值為（qI/KT）。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1999Semiconductor Devices（a）柵源電壓對(duì)跨導(dǎo)的影響實(shí)驗(yàn)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(shí)， gm反而會(huì)下降。柵壓較低時(shí)，n可看作常數(shù)。當(dāng)柵壓升高時(shí)，跨導(dǎo)隨柵壓增大而上升速率變慢。這是由于n隨柵電場(chǎng)增強(qiáng)而下降，對(duì)VGS的增大起補(bǔ)償作用的結(jié)果。當(dāng)柵壓增加到n下降使因子的減小同VGS增大的作用完全抵消時(shí)， gm達(dá)到最大值。之后， VGS繼續(xù)增加，n下降起主

54、要作用。 因此，實(shí)際MOSFET在柵壓VGS比較高時(shí)，跨導(dǎo)gm反而隨VGS增大而下降。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19100Semiconductor Devices（b）漏源電壓對(duì)跨導(dǎo)的影響當(dāng)漏源電壓較高，漏電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)使載流子遷移率下降，漏電流減小。 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：LVvDSSLn11SLoxDSoxnmvZCVCLZg 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19101Semiconductor Devices（c）源區(qū)漏區(qū)串聯(lián)電阻RS、R

55、D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。使實(shí)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(shí)際跨導(dǎo)低于理論值。加在溝道區(qū)上的實(shí)際有效漏源電壓為)(/DSDDSDSRRIVVSDGSGSRIVV/)(1*DSdLSmmmRRgRgggSmmmSRggg1* 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19102Semiconductor Devices提高跨導(dǎo)的關(guān)鍵是增大因子。提高因子從以下幾個(gè)方面：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。制作高質(zhì)量、薄的柵氧化層，以增大柵電容Cox盡可能采用溝道寬長(zhǎng)Z/L比大的

56、版圖。 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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19103Semiconductor Devices（2）小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmb 定義：當(dāng)VGS 、VDS為常數(shù)時(shí)， 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(shí)，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(xiàng)中的S代以SVBS，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(gè)柵，又稱為“背柵” 。GSDSVVBSDmVIg, 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19104Semiconductor De

57、vices（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。 GSVDSDdVIg)()(DSthGSGSdVVVg線性區(qū)中：mSthGSGSdLgVVg)()( 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19105Semiconductor Devices（4）飽和區(qū)的漏電導(dǎo)理想情況下，ID與VDS無(wú)關(guān)，飽和區(qū)的gd應(yīng)為零，即輸出電阻無(wú)窮大。但實(shí)際的MOSFET，由于溝道長(zhǎng)度的調(diào)制效應(yīng)和漏極對(duì)溝道的靜電反饋?zhàn)饔茫―IBL），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(dòng)態(tài)電阻是有限值。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)202

58、2-4-19106Semiconductor Devices（a）有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 隨著VDS超過(guò)VDSat，溝道出現(xiàn)夾斷，并隨著VDS的進(jìn)一步增加向源端移動(dòng)，漏端耗盡區(qū)寬度L增加，有效溝道長(zhǎng)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(zhǎng)度隨VDS增大而縮短的現(xiàn)象稱為有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(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(zhǎng)度為210)(2ADSatDSsqNVVL210)(2ADSatDSseffqNVVLLLL 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19107Semiconductor Devices 對(duì)于溝道長(zhǎng)度較

59、短，而襯底電阻率又較高的MOSFET，其溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(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(zhǎng)度較長(zhǎng)，襯底電阻率又較低時(shí)，L很小，IDSS趨近于飽和。2102)()(2)(21ADSatDSsthGSGSOXnDSSqNVVLVVZCI1)1 (LLIIDSatDSSDSDSatDSatdVLdLLLIg)()1 (2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-19108Semiconductor Devices（b）漏感應(yīng)勢(shì)壘降低效應(yīng)（漏對(duì)溝道區(qū)的靜電反饋效應(yīng)） 對(duì)于襯底電阻率較高的MOSFET，當(dāng)VDSVDSat時(shí)，漏區(qū)襯底的P-N結(jié)耗盡層寬度大于或接近于有效

60、溝道長(zhǎng)度。這一現(xiàn)象在溝道長(zhǎng)度較短時(shí)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(guò)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(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)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(huì)穿越漏到源，引起源端勢(shì)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(guò)程為漏感應(yīng)勢(shì)壘降低DIBL。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè)2022-4-1