半導(dǎo)體器件物理II必背公式+考點摘要

1、半導(dǎo)體器件物理11必背公式+考點摘要-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN半二復(fù)習(xí)筆記1.1M0S結(jié)構(gòu)1 .費(fèi)米勢：禁帶中心能級(EFi)與費(fèi)米能級(EF)之差的電勢表示熱0,2 .表面勢：半導(dǎo)體表面電勢與體內(nèi)電勢之差，體內(nèi)EFi和表面EFi之差的電勢表示 二!石網(wǎng)(體內(nèi))一0K表面)( eJHE3.金半功函數(shù)差%-WE鼠三,二"（/+或+&）MetalEySilicon dioxide p-type silicon4.P溝道閾值電壓I O' O'噎=-3產(chǎn)-手+爆+2。力5.L OX、O工注意faifn是個負(fù)值1.3 M

2、OS原理1 . MOSFET非飽和區(qū)IV公式/ ='皿(_y y _p2 (當(dāng)"0<P <V )1DIT GS V Tfv DS y Ds '> GS _, DS _2 .跨導(dǎo)定義：VDS 一定時，漏電流ID隨VGS變化率，反映了 VGS對ID的 控制能力飽和區(qū)（含線性區(qū),ow%sW/s（w）【D =2L2(%-%)噎-唯g，=Mdg,E =8 VDS與幾5無關(guān)17飽和區(qū)（/Z）S "qs（so/）2L7(vGS -vTr"小7( OXGS - VTYJ VGS - VT41'ds無關(guān)3 .提高飽和區(qū)跨導(dǎo)途徑飽和區(qū):Wu

3、CL優(yōu)選晶面（100）。11） , Qoxl 表面平整度Tg, ？=> 夕=監(jiān), Lfor降低串聯(lián)電阻& g -且肝l+g/ 在工作電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)提高器件偏置電壓（s- %）4.襯底偏置電壓VSB0,其影響閾值反型點時的玄變化，最大耗盡層和最大耗盡層電荷面密度變化:A. （2壇J24（2"+L）噎°，=2%,+噎，T ； eNa。?。?一4盧"=，2笫乂（2偉+噎）一5.背柵定義：襯底能起到柵極的作用。VSB變化，使耗盡層寬度變化，耗 盡層電荷變化；若VGS不變，則反型溝道電荷變化，漏電流變化1.4頻率特性1 . MOSFET頻率限制因素：溝道我流

4、子的溝道運(yùn)輸時間（通常不是主要的 限制因素）柵電容充放電需要時間2 .截止頻率：器件電流增益為1時的頻率高頻等效模型如下:g，%= _Sm_2»（。冬丁 +。"） ?尤 G跨導(dǎo)gm等效輸入棚極電容 cG=CgsT+cM柵極總電容CG看題目所給條件。若為理想,CgdT為0, CgsT約等于Cox,即CG=Cox；非理想情況即柵源、柵漏之間有交疊，產(chǎn)生寄生電容：©CgdT的L為 交疊部分長度 CgsT的L為L+交疊部分長度（CgsT=Cgs+Cgsp）。在理想情況下，飽和區(qū)。0。之 3 金再出二當(dāng)H（%_%）' JLjf _"一）遷移率”72遼21溝

5、道長度的平方尸的倒數(shù)3.提高截止頻率途徑口 提高遷移率（100方向，I：藝優(yōu)質(zhì)）口縮短L口 減小寄生電容硅捌基本取代r鋁棚）1. 5 CMOS1 .開關(guān)特性開關(guān)時間：輸出相對于輸入的時間延遲，包括導(dǎo)通時間如和關(guān)斷時間如f （針對驅(qū)動管NMOS而言）載流子溝道輸運(yùn)時間6 （本征延遲）取決于溝道的長度和載流子的漂移速度輸出端對地電容的充放電時間（負(fù)載延遲）取決于輸出端對地總電容c j大小和充放電電流（4、4）的大小提高開關(guān)速度途徑（降低開關(guān)時間）：減小本征延遲：減小溝長LL<5um,開關(guān)速度由負(fù)載延遲決定減小負(fù)載延遲：減小對地總電容Qi：負(fù)載電容、引線電容、漏襯PN結(jié)電容提高充放電電流（人、

6、/）2 .閂鎖效應(yīng)過程正常情況下，寄生pnp/npn管均截止； P+源n阱-P襯和n+源-P襯n阱寄生管，發(fā)射結(jié)0偏，集電結(jié)反偏異常情況下：有觸發(fā)：流過弓n若觸發(fā)npn導(dǎo)通，產(chǎn)生j =有人】=A hi = L=觸發(fā)pnp 孑通，J J IC2 =Ui ；1C2 + = I Bl T = Ll T=1B2 T= I<?2 T=】bl T =n電流正反饋的閉合回路，若電=舟g即網(wǎng)片>1.即使外界觸發(fā)因素消失，EDQ和監(jiān)S間仍有電流流動,發(fā)生閂鎖效應(yīng)2. 1非理想效應(yīng)1. MOSFET亞閾特性亞閾值電流：弱反型態(tài)：勢壘較低一電子有一定兒率越過勢壘一形 成亞閾值電流關(guān)系式：）二"

7、（等）."exp （考） 注：若VDS>4 （kT/e）,最后括號部分右1, IDsub近似與VDS無關(guān)亞閾值擺幅S：漏電流減小一個數(shù)量級所需的柵壓變化量，S是量 化MOS管能否隨柵壓快速關(guān)斷的參數(shù)。S=dVGS/d（lgIDsul）快速關(guān)斷：電流降低到loff所需VGS變化量小。因此S越小越好亞閾特性的影響：開關(guān)特性變差：VGS=0時不能理想關(guān)斷；靜態(tài)功 耗增加 措施：提高關(guān)斷/待機(jī)狀態(tài)下器件的閾值電壓VT （如通過襯底和源 之間加反偏壓，使VT增加）、減小亞閾值擺幅2.溝長調(diào)制效應(yīng)（VDS t =>ID t ）機(jī)理飽和區(qū)：%A限（=7-£麋T= A£

8、;f=有效溝長二（£-AL） J理想長溝：L'L,導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻近似不變，飽和區(qū)電流飽 和；實際器件（短溝）：L、<L ,導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻減小，ID增加，P型= vgs - % =V0s - VCsat）夾斷區(qū)長度夾斷IX長度9=小2 一小】=+ %"峭+A七$ -）沏+%" e a修正后的漏源電流（T 漏源電流/二一lDL-SL影響因素襯底摻雜濃度N越小=A L的絕對值越大=溝道長度調(diào)制效應(yīng)越顯 著；溝道長度L越小=AL的相對值越大=溝道長度調(diào)制效應(yīng)越顯著3 .遷移率變化 概念：MOSFET載流子的遷移率理想情況下：近似為常數(shù)；實際受溝

9、道內(nèi)電場的影響，遷移率非常數(shù)。VGSf一垂直電場f 一漂移運(yùn)動的電子更接近 于氧化層和半導(dǎo)體的界面一表面散射增強(qiáng)，載流子的表面遷移率口下降 影響：漏電流、跨導(dǎo)隨柵壓增加而增加的趨勢減緩4 .速度飽和 概念：E較低時，u為常數(shù)，半導(dǎo)體載流子漂移速度v與溝道方向 電場E正比；E較高時，達(dá)到一臨界電場EC時，載流子漂移速度v將達(dá)到飽和J = dE = enuE - env原因：廠77 易發(fā)生情況：短溝器件，U大L小，E大，易達(dá)到飽和Ec 考慮速度飽和后的飽和漏源電流，o(sat) = WC0K(Vcs - Vr)vsat跨導(dǎo)：與偏壓、溝長無關(guān)©截止頻率：與偏壓無關(guān)fr =8m WC3 口皿

10、 Vggt2jiCg 2tt(CokWL) 2nL5 .彈道輸運(yùn)特點：溝道長度IXO.luni,小于散射平均自由程載流子從源到漏運(yùn)動大部分沒有一次碰撞 高速器件:不經(jīng)散射的速度大于經(jīng)歷散射的平均漂移速度非彈道輸運(yùn)特點：溝道長度L>0.lum,大于散射平均自由程；載流子 從源到漏運(yùn)動需經(jīng)過多次散射；因經(jīng)歷多次散射，載流子運(yùn)動速度用平均漂移 速度表征2.2 按比例縮小按比例縮小的參數(shù):器件尺寸參數(shù)(L, tox, W, xj) ： k倍摻雜濃度(Na, Nd) ： 1/k倍電壓V： k倍電場E： 1倍耗盡區(qū)寬度Xd： k倍電阻R (與L/W成正比)：1倍；總柵電容(與WL/tox成正比)：k

11、倍 漏電流I (與WV/L成正比)：k倍2.3 閾值電壓調(diào)整1 .短溝道效應(yīng)(L I nVT I )1 % 概念：隨著溝長L變短，柵壓VG可控空間電荷區(qū)僅僅為下方梯形 一可控耗盡層電荷占耗盡層越來越少一使得可控Qsd變小，VT下降 影響因素：a.L I - VTNI b.Na t - VTN I c. VDS>0 f 漏襯 n+p 反偏壓 t - Qsd I - VTN I d. VSB f - VTX 1 (AVT 絕對值更大，使 VT整體減小)2 .窄溝道效應(yīng)(W I =>VT t )概念：表面耗盡層在寬度方向?qū)⒋嬖跈M向展寬現(xiàn)象一VGS作用下要產(chǎn)生 中間矩形和兩側(cè)的耗盡層電荷一

12、W越小，相同偏壓VG下能用來控制下方矩形部 分的電壓V越少一VT隨W的I而增大3 .離子注入調(diào)整 原理：通過離子注入技術(shù)向溝道區(qū)注入雜質(zhì)a. p型襯底表面注入受主雜質(zhì)（如B） 一半導(dǎo)體表面凈摻雜濃度 Na t f/Q SDmax/ t f表面更難以反型一VT tb. p型襯底表面注入施主雜質(zhì)（如P） f半導(dǎo)體表面凈摻雜濃度 Na I-/Q,SDmax/I -表面更容易反型一VT I離子注入關(guān)系P型襯底加入受主雜質(zhì)：注入前的閾值電壓,受主雜質(zhì)注入劑量）：eDj單位櫥面積注入的離子數(shù)（面密度）'7 二七0 + -叫.注入產(chǎn)生的AQX0X2. 4擊穿特性1 .柵氧化層擊穿 概念：VGS t

13、一氧化層電場強(qiáng)度EoxN臨界電場強(qiáng)度EB,氧化層發(fā) 生介電擊穿，柵襯短路，柵電流產(chǎn)生 影響因素：靜電使柵兩側(cè)出現(xiàn)電荷積累，易產(chǎn)生強(qiáng)電場使之擊穿 措施：a.設(shè)計和使用做好防靜電措施b.進(jìn)行電路設(shè)計2 .漏襯pn結(jié)雪崩擊穿（溝道未形成） 概念：結(jié)反偏壓VDS大到一臨界值BVDS ,發(fā)生雪崩擊穿 雪崩擊穿：載流子從大E獲得大能量，與品格原子碰撞一共價鍵 斷裂，產(chǎn)生電子空穴對一產(chǎn)生的電子空穴也會從E獲得能量，繼續(xù)碰撞一產(chǎn)生 大量的電子被漏極收集（加入ID）,發(fā)生擊穿，產(chǎn)生的空穴注入襯底（產(chǎn)生 Isub）影響因素：a.擊穿電壓BVnp,其為輕摻雜側(cè)摻雜濃度的函數(shù)BV =£-up 2eNab.

14、MOSFET漏襯PN結(jié)的BVDSBVnp：耗盡區(qū)的電場在拐 角處（棱角電場）容易集中，大于平面處電場3.溝道雪崩倍增效應(yīng)（VGS>VT） 概念：發(fā)自S端的載流子，形成電流IS,進(jìn)入溝道區(qū)，受溝道E的 加速一在D端附近發(fā)生雪崩倍增一產(chǎn)生的電子被漏極收集（加入ID）,產(chǎn)生的 空穴注入襯底（產(chǎn)生Isub） 影響因素：a. VDS越大，E越強(qiáng)，越容易誘發(fā)倍增b. VGS越大，溝道載流子數(shù)越多，倍增越快，BVDS越小4 .寄生晶體管擊穿（雪崩擊穿正反饋）概念前提：MOSFET存在寄生的雙極型晶體管雪崩擊穿一存在襯底電流Isub,同時Rsub不為零一寄生晶體管基極 電勢增高，使源襯結(jié)正偏一電子由重?fù)?/p>

15、源區(qū)擴(kuò)散至襯底，一部分電子加入ID使 ID t 一雪崩擊穿加?。ㄕ答仯┮装l(fā)生情況：短溝高阻襯底的MOSFETa.短溝，基區(qū)較窄，注入溝道區(qū)的電子易被漏極收集，同時漏結(jié) 附近的E較強(qiáng)，倍增效應(yīng)強(qiáng)b.高阻，Rsub大措施：重?fù)揭r底5 .源漏穿通效應(yīng)(短溝器件) 概念：漏襯結(jié)的空間電荷區(qū)擴(kuò)展至和源襯結(jié)空間電荷區(qū)相接一導(dǎo)致 源端和源漏之間半導(dǎo)體的勢壘高度降低一電子跨越勢壘高度由源區(qū)注入到源漏 之間半導(dǎo)體區(qū)的幾率增加 影響：a. VGS=O時，源和溝道區(qū)勢壘高度被拉更低一源區(qū)電子注入 到溝道區(qū)數(shù)量增多一亞閾值電流增加b. YDS t -源和溝道區(qū)勢壘高度降低一ID指數(shù)t 一柵壓控制 器件ID能力下降易

16、發(fā)生情況：短溝高阻襯底的MOSFET 措施：增大柵氧下方會發(fā)生穿通效應(yīng)的襯底濃度NB、增大VSB6. LDD 結(jié)構(gòu)的 MOSFET 定義：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)(Lightly Doped Drain) 概念：在溝道的漏端及源端增加低摻雜區(qū)，降低溝道端口處的摻雜 濃度及摻雜濃度的分布梯度 作川：降低溝道中漏附近的電場，提高器件的擊穿電壓2. 5輻射效應(yīng)與熱載流子效應(yīng)1 .輻射效應(yīng) 概念：X射線、Y射線等離化輻射將Si02中的電子-空穴對打開, 同時產(chǎn)生自由電子和自由空穴影響：a.產(chǎn)生氧化層電荷b.產(chǎn)生界面態(tài)>)田田出KIO3 10410s離化輻射劑量rad(Si)2017/11/27H n溝道MO

17、SFET：導(dǎo)通電 山為正柵壓，故輻射產(chǎn)生氧化_層電荷的效果強(qiáng)，Vt左移。輻射總劑量越大，則引入.的界面態(tài)，界面態(tài)密度增大，受主增多，Vt右移增加 p溝道MOSFET：導(dǎo)通電 壓為負(fù)柵壓，引入的空穴向柵 極一側(cè)移動，故輻射產(chǎn)生氧化 層電荷的效果弱，但因產(chǎn)生界 面態(tài)，正施主增增多，Vt左移C.輻射總劑量越大，曲線斜率小，亞閾值擺幅增大2 .熱載流子效應(yīng)熱載流子定義：熱載流子有效溫度Te高，若環(huán)境溫度為T,則平 均能量（kTe）大于晶格能量（kT）的載流子。MOSFET的熱載流子，從VDS產(chǎn) 生的E獲得能量影響a.熱載流子（能量高）越過Si-SiO2界面勢壘注入到Si02層中一 被氧化層陷阱俘獲，氧

18、化層電荷變化b.熱載流子越過界面，會打開Si-O鍵，產(chǎn)生界面態(tài)，使界面陷阱 電荷變化c.表面散射增強(qiáng)，使遷移率下降&被柵極收集，形成柵電流 特點：是連續(xù)過程、易發(fā)生于短溝器件措施：采用輕摻雜漏結(jié)構(gòu)（LDD）原因：漏區(qū)摻雜濃度較低且分布梯度較緩，電力線不易集中，溝 道中漏附近的電場降低；減緩熱戰(zhàn)流子的產(chǎn)生；減緩雪崩擊穿效應(yīng)，寄生雙極 晶體管擊穿效應(yīng)(a) LDD FET結(jié)構(gòu)3. 1 JFET場效應(yīng)管與MESFET1 . MESFET基本結(jié)構(gòu)OhmiccontactOhmiccontactDrainSource nt112X3 %$) 1/2eNdeNd3.直流特性RectifyingcontactGate、。Substrate(semi-insiilating.cr 0)2 .肖特基