半導(dǎo)體物理與器件+第4章-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFieldEffect

TransistorMetal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor第1頁(yè)4.1MOS管結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特征4.1.1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)4.1.2基本工作原理和輸出特征4.1.3MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管分類(lèi)4.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管閾值電壓4.2.1MOS管閾值電壓定義4.2.2MOS管閾值電壓表示式4.2.3非理想條件下閾值電壓4.2.4影響閾值電壓其它原因4.2.5閾值電壓調(diào)整技術(shù)4.3MOS管直流電流-電壓特征4.3.1MOS管線(xiàn)性區(qū)電流-電壓特征4.3.2MOS管飽和區(qū)電流-電壓特征4.3.3亞閾值區(qū)電流-電壓特征4.3.4MOS管擊穿區(qū)特征及擊穿電壓4.4MOS電容及MOS管瞬態(tài)電路模型4.4.1理想MOS結(jié)構(gòu)電容-電壓特征4.4.2MOS管瞬態(tài)電路模型-SPICE模型4.5MOS管交流小信號(hào)參數(shù)和頻率特征4.5.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管交流小信號(hào)參數(shù)4.5.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管頻率特征4.6MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)特征4.6.1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程4.6.2開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)算4.7MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管二級(jí)效應(yīng)4.7.1非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)4.7.2體電荷效應(yīng)對(duì)電流-電壓特征影響4.7.3MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管短溝道效應(yīng)4.7.4MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管窄溝道效應(yīng)4.8MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管溫度特征4.8.1熱電子效應(yīng)4.8.2遷移率隨溫度改變4.8.3閾值電壓與溫度關(guān)系4.8.4MOS管幾個(gè)主要參數(shù)溫度關(guān)系第2頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管：利用輸入回路電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流三極管;一個(gè)載流子參加導(dǎo)電，又稱(chēng)單極型(Unipolar)晶體管。原理：利用改變垂直于導(dǎo)電溝道電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用;第四章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管雙極晶體管：參加工作不但有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故統(tǒng)稱(chēng)為雙極晶體管第3頁(yè)特點(diǎn)單極型器件(靠多數(shù)載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高：可達(dá)1010(有資料介紹可達(dá)1014）以上、抗輻射能力強(qiáng)

；制作工藝簡(jiǎn)單、易集成、熱穩(wěn)定性好、功耗小、體積小、成本低。OUTLINE第4頁(yè)4.1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特征

柵極Al(Gate)源極(Source)漏極(Drain)絕緣層SiO2(Insulator)保護(hù)層表面溝道(Channel)襯底電極(Substrate)OhmiccontactMOS管結(jié)構(gòu)兩邊擴(kuò)散兩個(gè)高濃度N區(qū)形成兩個(gè)PN結(jié)以P型半導(dǎo)體作襯底第5頁(yè)通常，MOS管以金屬Al(Metal)

SiO2(Oxide)

Si(Semicond-uctor)作為代表結(jié)構(gòu)基質(zhì)：硅、鍺、砷化鎵和磷化銦等柵材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二鋁等制備工藝：MOSFET基本上是一個(gè)左右對(duì)稱(chēng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極。結(jié)構(gòu)：環(huán)形結(jié)構(gòu)、條狀結(jié)構(gòu)和梳狀結(jié)構(gòu)第6頁(yè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)----電容結(jié)構(gòu)溝道長(zhǎng)度溝道寬度柵絕緣層厚度tOX

擴(kuò)散結(jié)深襯底摻雜濃度NA

+表面電場(chǎng)MOSFETFundamentalsD-S

間總有一個(gè)反接PN結(jié)產(chǎn)生垂直向下電場(chǎng)第7頁(yè)MOS管工作原理

柵壓從零增加，表面將由耗盡逐步進(jìn)入反型狀態(tài)，產(chǎn)生電子積累。當(dāng)柵壓增加到使表面積累電子濃度等于或超出襯底內(nèi)部空穴平衡濃度時(shí)，表面到達(dá)強(qiáng)反型，此時(shí)所對(duì)應(yīng)柵壓稱(chēng)為閾值電壓UT

。感應(yīng)表面電荷吸引電子電場(chǎng)排斥空穴正常工作時(shí)偏置第8頁(yè)強(qiáng)反型時(shí)，表面附近出現(xiàn)與體內(nèi)極性相反電子導(dǎo)電層稱(chēng)為反型層——溝道，以電子導(dǎo)電反型層稱(chēng)做N溝道。感應(yīng)表面電荷一個(gè)經(jīng)典電壓控制型器件電流通路——從漏極經(jīng)過(guò)溝道到源極第9頁(yè)UGS=0,

UDS≠0，漏端PN結(jié)反偏，反偏電流很小——器件截止

UGS≠0,

UDS≠0，表面形成溝道，漏區(qū)與源區(qū)連通，電流顯著；——器件導(dǎo)通

zeroappliedbias源極和漏極之間一直有一個(gè)PN結(jié)反偏，IDS=0分析：第10頁(yè)漏-源輸出特征

下面分區(qū)討論各區(qū)特點(diǎn)曲線(xiàn)與虛線(xiàn)交點(diǎn)為“夾斷點(diǎn)”夾斷區(qū)(截止區(qū))恒流區(qū)(放大區(qū)或飽和區(qū))預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)擊穿區(qū)第11頁(yè)（1）截止區(qū)特征（UGS

<UT開(kāi)啟電壓）外加?xùn)烹妷篣GS在表面產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電荷，伴隨柵極電壓增加，表面將逐步形成耗盡層。但耗盡層電阻很大，流過(guò)漏—源端電流很小，也只是PN結(jié)反向飽和電流，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為截止?fàn)顟B(tài)。Operation

Modes第12頁(yè)（2）線(xiàn)性區(qū)特征（UGS

≥UT）——曲線(xiàn)OA段當(dāng)UGS

UT后，表面形成強(qiáng)反型導(dǎo)電溝道，若加上偏置電壓UDS

，載流子就經(jīng)過(guò)反型層導(dǎo)電溝道，從源端向漏端漂移，由漏極搜集形成漏-源電流IDS。UGS增大，反型層厚度亦增厚，因而漏-源電流線(xiàn)性增加。表面形成反型層時(shí)，反型層與襯底間一樣形成PN結(jié)，這種結(jié)是由表面電場(chǎng)引發(fā);——場(chǎng)感應(yīng)結(jié)

UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻;第13頁(yè)（3）溝道夾斷——曲線(xiàn)A點(diǎn)表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)，溝道展現(xiàn)電阻特征，漏-源電流經(jīng)過(guò)溝道電阻時(shí)，將在其上產(chǎn)生電壓降。柵絕緣層上有效電壓降從源到漏端逐步減小，UDS很大時(shí)，降落在柵下各處絕緣層上電壓不相等，反型層厚度不相等，因而導(dǎo)電溝道中各處電子濃度不相同；UDS較大時(shí)，靠近D區(qū)導(dǎo)電溝道變窄。導(dǎo)電溝道展現(xiàn)一個(gè)楔形沿溝道有電位梯度絕緣層內(nèi)不一樣點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度不一樣,左高右低第14頁(yè)當(dāng)電壓繼續(xù)增加到漏端柵絕緣層上有效電壓降低于表面強(qiáng)反型所需閾值電壓UT

時(shí)，漏端表面反型層厚度減小到零，即漏端處溝道消失，只剩下耗盡區(qū)，這就是：溝道夾斷。使漏端溝道夾斷所需加漏-源電壓UDS稱(chēng)為飽和漏-源電壓(UDsat)，對(duì)應(yīng)電流I稱(chēng)為飽和漏-源電流(IDsat)。溝道夾斷條件UDS=UGS

UT

UDS+UT=UGS

第15頁(yè)（4）飽和區(qū)特征——曲線(xiàn)AB段繼續(xù)增加UDS比UDsat大得多時(shí),(UDS

UDsat)將降落在漏端附近夾斷區(qū)上,夾斷區(qū)將隨UDS增大而展寬,夾斷點(diǎn)將隨UDS增大而逐步向源端移動(dòng),導(dǎo)電溝道有效厚度基本不再改變，柵下面表面被分成反型導(dǎo)電溝道區(qū)和夾斷區(qū)兩部分。溝道中載流子不停地由源端向漏端漂移，當(dāng)?shù)诌_(dá)夾斷點(diǎn)時(shí)，馬上被夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成漏極電流。漏源電流基本上不隨UDS增大而上升。

第16頁(yè)（5）擊穿特征——曲線(xiàn)BC段當(dāng)UDS到達(dá)或超出漏端PN結(jié)反向擊穿電壓時(shí)，漏端PN結(jié)發(fā)生反向擊穿；第17頁(yè)轉(zhuǎn)移特征(輸入電壓-輸出電流)當(dāng)UGS

UT時(shí)，伴隨UGS增加，溝道中導(dǎo)電載流子數(shù)量增多，溝道電阻減小，在一定UDS作用下，漏極電流上升。UGS

UT后，進(jìn)入亞閾值區(qū)工作，漏極電流很小。MOS晶體管轉(zhuǎn)移特征：漏源極電流IDS隨柵源電壓UGS變化曲線(xiàn)，反應(yīng)控制作用強(qiáng)弱平方律關(guān)系管子工作于放大區(qū)時(shí)函數(shù)表示式UTN，開(kāi)啟電壓截止，夾斷區(qū)第18頁(yè)4.1.3MOSFET分類(lèi)

依據(jù)導(dǎo)電溝道起因和溝道載流子類(lèi)別可分成4種;1、N溝道和P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管加上漏-源偏壓后，輸運(yùn)電流電子從源端流向漏端。導(dǎo)電載流子是N型導(dǎo)電溝道中電子;漏-源偏壓為正，相當(dāng)于NPN晶體管集電極偏壓；制作在P型襯底上，漏-源區(qū)為重?fù)诫sN+區(qū)；N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管第19頁(yè)柵極施加負(fù)壓時(shí)，表面出現(xiàn)強(qiáng)反型而形成P型導(dǎo)電溝道;傳輸電流導(dǎo)電載流子是空穴;在漏-源電壓作用下，空穴經(jīng)過(guò)P型溝道從源端流向漏端;制作在N型襯底上，漏-源區(qū)為重?fù)诫sP+區(qū)漏-源偏壓為負(fù)，相當(dāng)于PNP晶體管集電極偏置電壓;P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管第20頁(yè)增強(qiáng)型和耗盡型

按零柵壓時(shí)(UGS＝0),是否存在導(dǎo)電溝道來(lái)劃分；UGS

=0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道，漏源間被背靠背PN結(jié)二極管隔離，即使加上漏源電壓，也不存在電流，器件處于“正常截止?fàn)顟B(tài)”；增強(qiáng)型器件第21頁(yè)當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度低,而SiO2層中表面態(tài)電荷密度又較大，在零柵壓時(shí)，表面就會(huì)形成反型導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài);要使溝道消失，必須施加一定反向柵壓，稱(chēng)為閾值電壓(夾斷電壓)；二者差異：在于耗盡型管二氧化硅絕緣層中摻有大量堿金屬正離子(如Na++或K++)，會(huì)感應(yīng)出大量電子。耗盡型器件第22頁(yè)電路中電學(xué)符號(hào)——教材有誤

類(lèi)型襯底漏源區(qū)溝道載流子漏源電壓閾值電壓N溝增強(qiáng)型PN+電子正UT

>0耗盡型UT<0P溝增強(qiáng)型NP+空穴負(fù)UT<0耗盡型UT>0第23頁(yè)4.2決定閾值電壓原因

4.2.1閾值電壓定義

①閾值電壓——在漏-源之間半導(dǎo)體表面處感應(yīng)出導(dǎo)電溝道所需加在柵電極上電壓UGS

。②表示MOS管是否導(dǎo)通臨界柵-源電壓。③工作在飽和區(qū)時(shí)，將柵壓與溝道電流關(guān)系曲線(xiàn)外推到零時(shí)所對(duì)應(yīng)柵電壓；④使半導(dǎo)體表面勢(shì)US=2,為襯底半導(dǎo)體材料費(fèi)米勢(shì)，US大小相當(dāng)于為使表面強(qiáng)反型所需加?xùn)烹妷?。外推UDS≠0第24頁(yè)4.2.2閾值電壓相關(guān)原因閾值電壓——表面出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)所加?xùn)?源電壓；強(qiáng)反型——表面積累少子濃度等于甚至超出襯底多子濃度狀態(tài)；US≥

P型襯底N溝強(qiáng)反型時(shí)能帶圖金屬柵板上面電荷密度表面態(tài)電荷密度導(dǎo)電電子電荷面密度表面耗盡層空間電荷面密度襯底摻雜濃度NB

EF+-電荷分布ChargeDistributionStrongInversionbandbendingsurfacepotential第25頁(yè)InversionregionDepletionregionNeutralsregionBanddiagram(p-typesubstrate)IdealMOSCurvesOxideSemiconductorsurfaceP-typesilicon第26頁(yè)表面強(qiáng)反型時(shí)，表面耗盡層(surfacedepletion-layer)寬度到達(dá)最大電荷密度也到達(dá)最大值電中性條件要求反型層(inversionlayer)電子只存在于極表面一層，簡(jiǎn)化為理想條件下閾值電壓忽略氧化層中表面態(tài)電荷密度理想情況下，表面勢(shì)完全產(chǎn)生于外加?xùn)艠O電壓外加?xùn)艍?/p>

柵氧化層上電壓降

(向襯底方向厚度)第27頁(yè)柵氧化層單位面積電容

到達(dá)強(qiáng)反型條件US=2

F

可得理想閾值電壓為實(shí)際閾值電壓柵壓為零時(shí)，表面能帶已經(jīng)發(fā)生彎曲,平帶電壓表面態(tài)電荷影響柵源電壓柵電壓為Flatbandcondition第28頁(yè)閾值電壓為N溝平衡狀態(tài)時(shí)閾值電壓

襯底摻雜濃度越高，閾值電壓也越高;金屬—半導(dǎo)體功函數(shù)差越大，閾值電壓越高;N溝，P型襯底中Ei

EF，因而

F為正;漏-源電壓UDS

=0時(shí)，表面反型層中費(fèi)米能級(jí)和體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)處于同一水平，NMOS管第29頁(yè)4.2.3非理想條件下閾值電壓

在MOS結(jié)構(gòu)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面形成反型層時(shí)，反型層與襯底半導(dǎo)體間一樣形成PN結(jié)，這種結(jié)是由半導(dǎo)體表面電場(chǎng)引發(fā)，稱(chēng)為感應(yīng)結(jié)。當(dāng)漏-源電壓UDS

=

0時(shí)，感應(yīng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，表面反型層和體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)處于同一水平。第30頁(yè)UBS=0，UDS

0時(shí)非平衡狀態(tài)下閾值電壓反型溝道U(y)UBS=0，UDS

0時(shí)溝道壓降直接加到反型層與襯底所組成場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上，使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)處于非平衡狀態(tài)。溝道反型層中少子費(fèi)米能級(jí)EFn與體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)EFP將不再處于同一水平；Non-equilibriumCondition第31頁(yè)結(jié)兩邊費(fèi)米能級(jí)之差EFP

EFn=qU(y)表面勢(shì)則增大US=2

F

+U(y)表面耗盡層寬度也伴隨外加電壓增大而展寬耗盡層最大電荷密度非平衡狀態(tài)下閾值電壓NMOS管UBS

=0第32頁(yè)UBS

0時(shí)閾值電壓假定外加UGS已使表面反型，加在襯-源之間UBS使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)承受反偏，系統(tǒng)進(jìn)入非平衡狀態(tài)，引發(fā)以下兩種改變：①場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過(guò)渡區(qū)兩種載流子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不重合。②表面耗盡層厚度及電荷面密度隨UBS改變而改變。對(duì)照其它PN結(jié)反偏電壓，假定：①襯底多子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不隨體內(nèi)到表面距離改變，保持為常數(shù)。②場(chǎng)感應(yīng)結(jié)過(guò)渡區(qū)少子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與襯底多子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)隔開(kāi)一段距離，在P型襯底中是（N溝道）（P溝道）第33頁(yè)此時(shí)：閾值電壓增量

NMOS管增量

N溝道MOS有：PMOS管增量

第34頁(yè)由此能夠看出：|

UT|正比于tOX

及

，NB為襯底摻雜濃度。⑴NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管QBm<0，⊿UTn>0，PMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管QBm>0，⊿UTn<0，所以增加偏襯電壓使器件向增強(qiáng)型改變；⑵時(shí)，正比于⑶第35頁(yè)為了描述閾值電壓隨襯偏電壓改變，人們定義了襯偏調(diào)制系數(shù)：已知：普通需要UT隨UBS改變愈小愈好，為了滿(mǎn)足這一要求，需要選擇低摻雜襯底和減薄二氧化硅層厚度。第36頁(yè)襯底偏置電壓UBS對(duì)UT影響閾值電壓伴隨襯底偏置電壓增大而向正值方向漂移。襯底雜質(zhì)濃度愈高，閾值電壓漂移愈大。比如：襯底雜質(zhì)濃度N=1014cm

3，閾值電壓漂移量也不到1V，但當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度增大到N=1017cm

3時(shí)，即使襯底偏置電壓只有5V，閾值電壓漂移量卻到達(dá)7V之多。第37頁(yè)4.2.4影響閾值電壓其它原因

1．柵SiO2厚度對(duì)閾值電壓影響柵氧化層電容COX愈大，閾值電壓絕對(duì)值愈小

增大柵電容關(guān)鍵是制作薄且致密優(yōu)質(zhì)柵氧化層，厚度大都為100～150nm；選取介電系數(shù)更大材料作柵絕緣層，如Si3N4介電系數(shù)是6.2；必須先將硅層上生長(zhǎng)（50～60nm）SiO2層作為過(guò)渡層，然后再生長(zhǎng)Si3N4層；第38頁(yè)2．功函數(shù)差影響電子親和能功函數(shù)差隨襯底雜質(zhì)濃度改變而改變，但改變范圍不大，如襯底雜質(zhì)濃度由1015cm

3改變到1017cm

3時(shí)，其改變值只略大于0.1V。功函數(shù)差越大，閾值電壓越高；選擇功函數(shù)差低材料，如多晶硅等柵極材料。在選擇功函數(shù)差低材料基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低襯底雜質(zhì)濃度NB，減小柵下面SiO2厚度。第39頁(yè)3．表面態(tài)電荷密度QSS影響普通工藝條件下，表面態(tài)電荷密度在1011～1012cm

2范圍內(nèi)。這時(shí)若柵氧化層厚度tOX

=150nm，則表面態(tài)電荷密度由1011cm

2改變到1012cm

2，閾值電壓改變能夠到達(dá)6V之多。表面態(tài)電荷密度1要制得N溝增強(qiáng)型器件，能夠用適當(dāng)提升襯底雜質(zhì)濃度方法來(lái)實(shí)現(xiàn)(曲線(xiàn)向右部分)；UT>0UT<0第40頁(yè)4．襯底雜質(zhì)濃度影響UBS=0襯底雜質(zhì)濃度愈低，表面耗盡層空間電荷對(duì)閾值電壓影響愈小。在結(jié)構(gòu)已選定、工藝穩(wěn)定條件下，能夠經(jīng)過(guò)調(diào)整襯底摻雜濃度及二氧化硅層厚度來(lái)控制閾值電壓。閾值電壓增量

第41頁(yè)4.2.5閾值電壓調(diào)整技術(shù)

當(dāng)代MOS器件工藝中，已大量采取離子注入技術(shù)經(jīng)過(guò)溝道注入來(lái)調(diào)整溝道雜質(zhì)濃度，以滿(mǎn)足閾值電壓要求。改變溝道摻雜注入劑量，就能控制和調(diào)整器件閾值電壓。離子注入調(diào)整閾值電壓——選取低摻雜材料作為襯底，采取適當(dāng)步驟向PMOS或NMOS管溝道區(qū)注入一定數(shù)量與襯底導(dǎo)電類(lèi)型相同或相反雜質(zhì)，從而將閾值電壓調(diào)整到期望數(shù)值上。向溝道區(qū)注入雜質(zhì)離子，既可做成表面溝器件（慣用），也能夠形成隱埋溝道。注入離子實(shí)際上是在足夠大襯底面積上進(jìn)行掃描。離子注入后熱退火以及后續(xù)工藝步驟中熱處理都會(huì)使注入雜質(zhì)擴(kuò)散。第42頁(yè)1．用離子注入摻雜技術(shù)調(diào)整閾值電壓

注入劑量原始襯底摻雜濃度離子注入濃度平均值注入濃度分布深度（1）淺注入注入深度遠(yuǎn)小于表面最大耗盡層厚度（2）深注入深度大于強(qiáng)反型下表面最大耗盡區(qū)厚度，表面反型層及表面耗盡區(qū)全都分布于雜質(zhì)濃度均勻區(qū)域第43頁(yè)（3）中等深度注入dS小于表面最大耗盡區(qū)厚度，但二者大小能夠比擬情形襯偏調(diào)制系數(shù)：淺注入淺深注入第44頁(yè)中等深度注入實(shí)際工藝中多半采取較輕易實(shí)現(xiàn)中等深度注入，當(dāng)UBS

2.6V時(shí)，最大表面耗盡層厚度小于注入深度，屬于深注入情形，只有UBS

2.6V時(shí)，最大表面耗盡層厚度才會(huì)大于注入深度。為了取得良好特征，采取這種方式注入時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小注入深度dS。第45頁(yè)2．用埋溝技術(shù)調(diào)整MOS管閾值電壓（1）埋溝MOS管特征注入較淺，Xj（注入結(jié)深度）較小器件，外加UGS數(shù)值足夠大，半導(dǎo)體表面隨UGS在耗盡和弱反型區(qū)改變時(shí)溝道開(kāi)始夾斷，夾斷以后再增加UGS數(shù)值，器件一直是截止︱UBS︱較小時(shí)，∣UGS︱增大到表面強(qiáng)反型時(shí)溝道還未夾斷，從此繼續(xù)增加UGS，因?yàn)楸砻婧谋M區(qū)不再擴(kuò)展，溝道不可能夾斷，任意UGS之下MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管一直是導(dǎo)通開(kāi)始夾斷ID≠0UDS

0UDS

0耗盡型第46頁(yè)（2）采取埋溝技術(shù)控制MOS管閾值電壓大小漏端附近縱向溝道區(qū)體積元襯底表面耗盡區(qū)厚度溝道厚度PN結(jié)空間電荷溝道夾斷條件XS

+Xn=Xj

PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度與外加電壓關(guān)系溝道厚度為0埋溝——預(yù)先深度控制導(dǎo)電溝道；第47頁(yè)對(duì)于結(jié)構(gòu)已定器件，用埋溝技術(shù)就能夠控制器件溝道是夾斷或是夾不停情況，從而得到不一樣轉(zhuǎn)移特征；用埋溝技術(shù)，能夠減弱UBS對(duì)閾值電壓影響。第48頁(yè)4.3MOS管直流電流-電壓特征

定量分析電流-電壓特征，一級(jí)效應(yīng)6個(gè)假定：①漏區(qū)和源區(qū)電壓降能夠忽略不計(jì)；②在溝道區(qū)不存在復(fù)合-產(chǎn)生電流；③沿溝道擴(kuò)散電流比由電場(chǎng)產(chǎn)生漂移電流小得多；④在溝道內(nèi)載流子遷移率為常數(shù)；⑤溝道與襯底間反向飽和電流為零；⑥緩變溝道近似成立，即跨過(guò)氧化層垂直于溝道方向電場(chǎng)分量EX與溝道中沿載流子運(yùn)動(dòng)方向電場(chǎng)分量EY無(wú)關(guān)。沿溝道方向電場(chǎng)改變很慢。第49頁(yè)4.3.1線(xiàn)性區(qū)電流-電壓特征

溝道從源區(qū)連續(xù)地延伸到漏區(qū)電子流動(dòng)方向?yàn)閥方向U(y)溝道三個(gè)參數(shù)：長(zhǎng)度L、寬度W和厚度d在溝道中垂直方向切出一個(gè)厚度為dy薄片來(lái)，阻值為：在該電阻上產(chǎn)生壓降為：第50頁(yè)依據(jù)：所以第51頁(yè)引進(jìn)增益因子

當(dāng)UDS比較小時(shí)線(xiàn)性關(guān)系管導(dǎo)通電阻

線(xiàn)性工作區(qū)直流特征方程當(dāng)UDS很小時(shí)，IDS與UDS成線(xiàn)性關(guān)系。UDS稍大時(shí)，IDS上升變慢，特征曲線(xiàn)彎曲。（電壓除電流）第52頁(yè)4.3.2飽和區(qū)電流-電壓特征漏-源電壓增加，溝道夾斷時(shí)（臨界）——IDS不在改變，進(jìn)入飽和工作區(qū)漏-源飽和電壓漏-源飽和電流繼續(xù)增加UDS，則溝道夾斷點(diǎn)向源端方向移動(dòng)，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)寬度Xd伴隨UDS增大而不停變大(耗盡區(qū)向左擴(kuò)展)；溝道漏端已夾斷nMOSFET第53頁(yè)當(dāng)UDS增大時(shí)，將隨之增加。這時(shí)實(shí)際有效導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度已從L變?yōu)長(zhǎng)’，實(shí)際上工作區(qū)電流不是不變，對(duì)應(yīng)漏-源飽和電流在N型溝道中運(yùn)動(dòng)電子抵達(dá)溝道夾斷處時(shí)，被漏端耗盡區(qū)電場(chǎng)掃進(jìn)漏區(qū)形成電流；溝道調(diào)制系數(shù)溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)：漏-源飽和電流伴隨溝道長(zhǎng)度減小而增大效應(yīng)。第54頁(yè)當(dāng)柵壓UGS稍微低于閾值電壓UT時(shí)，溝道處于弱反型狀態(tài)，流過(guò)漏極電流并不等于零，這時(shí)工作狀態(tài)處于亞閾值區(qū)，流過(guò)溝道電流稱(chēng)為亞閾值電流。此時(shí)漏-源電流主要是擴(kuò)散電流：電流流過(guò)截面積A

亞閾值電流4.3.3亞閾值區(qū)電流-電壓特征n(x)為電子濃度第55頁(yè)依據(jù)電流連續(xù)性改變，電子濃度在溝道中線(xiàn)性分布為：亞閾值電流是：第56頁(yè)近似方法有效溝道厚度指數(shù)改變當(dāng)柵極電壓低于閾值電壓時(shí)，電流隨柵極電壓呈指數(shù)改變。在亞閾值區(qū)，當(dāng)漏極電壓分別為0.1V及10V時(shí)，電流改變趨勢(shì)無(wú)顯著差異。柵壓（向下縱深）第57頁(yè)用柵極電壓擺幅S來(lái)標(biāo)志亞閾值特征，它代表亞閾值電流IDS減小一個(gè)數(shù)量級(jí)對(duì)應(yīng)柵-源電壓UGS下降量;當(dāng)管柵氧化層厚度為570?，襯底摻雜濃度為5.6

1016cm

3時(shí)，使電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所需柵極電壓擺幅S為83mV（UBS=0V）、67mV（UBS=3V）及63mV（UBS

=10V）。Subthresholdswings顯然，影響S原因很多，二氧化硅厚度，柵電容和襯底雜質(zhì)濃度等。第58頁(yè)4.3.4擊穿區(qū)特征及擊穿電壓兩種不一樣擊穿機(jī)理解釋?zhuān)?、漏區(qū)與襯底之間PN結(jié)雪崩擊穿；2、漏和源之間穿通。擊穿原因:BUDS

漏-源擊穿電壓第59頁(yè)1、漏-源擊穿機(jī)理（1）柵調(diào)制擊穿——主要發(fā)生在長(zhǎng)溝道管MOS管中，有以下幾個(gè)特點(diǎn)對(duì)實(shí)際器件測(cè)量，發(fā)覺(jué)有以下特點(diǎn)：①源-漏PN結(jié)結(jié)深為l.37

m管，普通BUDS

=25～40V，低于不帶柵電極孤立漏PN結(jié)雪崩擊穿電壓。器件去除柵金屬后，BUDS可上升到70V。②襯底電阻率高于10

cm時(shí)，BUDS與襯底摻雜濃度無(wú)關(guān)，而是決定于漏-源結(jié)深、柵氧化層厚度及UGS

。③柵調(diào)制擊穿最主要特征是BUDS受UGS控制，當(dāng)│UGS││

│UT│，器件導(dǎo)通時(shí)，BUDS隨│UGS│增大而上升，而在截止區(qū)│UGS│<│UT│，UGS愈往正方向變化，BUDS愈降低。第60頁(yè)襯底摻雜濃度不過(guò)高，轉(zhuǎn)角區(qū)(冶金結(jié)與Si-SiO2界面交點(diǎn)處)電場(chǎng)比體內(nèi)強(qiáng)得多，即可到達(dá)雪崩擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng)而擊穿；平面工藝制造PN+結(jié)曲面結(jié)界面交點(diǎn)處柵氧化層tOX

柵電極UDG

=UDS

UGS

NMOS襯底漏P第61頁(yè)（2）溝道雪崩倍增擊穿分析表明：從溝道進(jìn)入夾斷區(qū)載流子大部分在距表面0.2～0.4

m次表面流動(dòng)，漏-襯PN結(jié)冶金結(jié)附近電場(chǎng)最高，到達(dá)和超出雪崩擊穿臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，擊穿就發(fā)生了。特點(diǎn)：對(duì)于NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏源擊穿特征，在UGS>UT

導(dǎo)通區(qū)，BUDS隨UGS增加而下降，而且展現(xiàn)軟擊穿，不一樣與柵調(diào)制擊穿。在UGS<U

T截止區(qū)，隨UGS

增加BUDS下降，而且展現(xiàn)硬擊穿，與柵調(diào)制擊穿相同。第62頁(yè)（3）“NPN管”擊穿——襯底電阻率高短溝道NMOS管發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)寄生NPN管共發(fā)射極擊穿:原因是溝道夾斷區(qū)強(qiáng)場(chǎng)下載流子倍增和轉(zhuǎn)角區(qū)載流子倍增，襯底電流產(chǎn)生壓降經(jīng)襯底極加到源極上；假定UBS

=0，這一壓降使源PN結(jié)正偏(發(fā)射結(jié)正偏)，漏PN結(jié)(集電結(jié))出現(xiàn)載流子倍增，進(jìn)入“倍增-放大”往復(fù)循環(huán)過(guò)程，造成電壓下降（熱擊穿），電流上升。發(fā)射結(jié)集電結(jié)第63頁(yè)主要特征：展現(xiàn)負(fù)阻特征

導(dǎo)通狀態(tài)下UGS愈高，則漏-源擊穿電壓BUDS愈低;該情況只發(fā)生在，高電阻率短溝道NMOS場(chǎng)效應(yīng)管負(fù)阻特征能引發(fā)二次擊穿UDSID第64頁(yè)（4）漏-源穿通機(jī)構(gòu)及漏-源穿通電壓BUDSP

——輸出端溝道表面漏結(jié)耗盡區(qū)寬度漏極電壓UDS增大時(shí)，漏結(jié)耗盡區(qū)擴(kuò)展，使溝道有效長(zhǎng)度縮短；當(dāng)Xdm擴(kuò)展到等于溝道長(zhǎng)度L時(shí)，漏結(jié)耗盡區(qū)擴(kuò)展到源極，便發(fā)生漏-源之間直接穿通。穿通電壓第65頁(yè)當(dāng)MOS管溝道很短時(shí)，漏-源穿通電壓才可能起主要作用。當(dāng)UGS

UT

=0時(shí)，簡(jiǎn)化NB為襯底摻雜濃度。穿通電壓與溝道長(zhǎng)度L平方成正比。溝道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，穿通電壓越高，即：不易穿通。第66頁(yè)2、最大柵-源耐壓BUGS——（輸入端）破壞性擊穿是由柵極下面SiO2層擊穿電壓決定；SiO2發(fā)生擊穿臨界電場(chǎng)強(qiáng)度：EOX（max）=8

106V／cm，厚度為tOXSiO2層擊穿電壓如，tOX

=1500?，則BUGS=120V。實(shí)際柵-源之間擊穿電壓，比計(jì)算值低。第67頁(yè)4.4MOS電容及瞬態(tài)電路模型(簡(jiǎn)述)

電容包含：MOS電容；極間電容；CGS、CGD、CGB、CBD、CBS等瞬態(tài)電路模型：由MOS電容、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道電流源和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管寄生二極管構(gòu)建瞬態(tài)電路模型。是SPICE模型中最基本模型，也是電路分析模擬、開(kāi)關(guān)特征研究中最基本模型。第68頁(yè)4.4.1理想MOS結(jié)構(gòu)電容—電壓特征

1、MOS結(jié)構(gòu)電容組成

假設(shè)理想MOS結(jié)構(gòu)沒(méi)有金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差，氧化層是良好絕緣體，幾乎沒(méi)有空間電荷存在，Si-SiO2界面沒(méi)有界面陷阱，外加?xùn)艍篣G

一部分降落在氧化層（UOX）上，另一部分降落在硅表面層（US），所以UG

=UOX

+US

。第69頁(yè)電容等效電路結(jié)構(gòu)電容

氧化層電容表面空間電荷層電容其中單位面積電容

Xdm——表面空間電荷層厚度第70頁(yè)2、低頻信號(hào)不一樣工作條件下電容改變規(guī)律

柵壓歸一化電容

+-C-VCurves閾值電壓第71頁(yè)（1）多子表面堆積狀態(tài)——圖中AB段柵壓為負(fù)值時(shí)，多子(空穴)表面堆積，表面電容CA取代CS可得多子表面堆積狀態(tài)下“歸一化”電容負(fù)柵壓UG比較大時(shí)，US是比較大負(fù)值，分母第二項(xiàng)趨于零。C/COX

=1，即C=COX

，電容是不隨柵偏壓改變，總電容就等于SiO2層電容。Accumulation第72頁(yè)（2）平帶狀態(tài)——圖中BC段，C點(diǎn)柵偏壓絕對(duì)值逐步減小時(shí)，US也變得很小，空穴堆積減弱，使得C/COX隨表面勢(shì)|Us|減小而變??；當(dāng)UGS

=0時(shí)，曲線(xiàn)C點(diǎn)——平帶點(diǎn)

平帶電容平帶狀態(tài)歸一化電容C點(diǎn)位置與襯底摻雜濃NA及SiO2厚度有親密關(guān)系。第73頁(yè)（3）表面耗盡狀態(tài)——圖中CD段柵極上加正偏，但未出現(xiàn)反型狀態(tài)，表面空間電荷區(qū)僅處于耗盡狀態(tài)，耗盡層電容表面剛耗盡時(shí)耗盡層歸一化電容電容隨柵壓平方根增加而下降，耗盡狀態(tài)時(shí)，表面空間電荷層厚度Xdm隨偏壓UG增大而增厚，CD則越小，C/COX也就越??；Depletion第74頁(yè)（4）表面反型狀態(tài)——圖DE段柵極加正偏增大，表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層，表面空間電荷區(qū)耗盡層寬度維持在最大值Xdm，表面空間電荷層電容表面出現(xiàn)強(qiáng)反型層歸一化電容當(dāng)US正值且較大時(shí)，大量電子堆積到表面，C/COX

=1圖中EF段——C=COX

Inversion

第75頁(yè)1、交流瞬態(tài)模型結(jié)構(gòu)

柵源電容柵漏電容柵襯電容柵源覆蓋電容

柵漏覆蓋電容

襯漏寄生電容襯源寄生電容源極材料電阻材料串聯(lián)電阻溝道電流寄生二極管電流4.4.2瞬態(tài)電路模型（SPICE模型）建立

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電荷存放效應(yīng)，對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管及MOS電路交流以及瞬態(tài)特征有決定性作用。覆蓋電容：柵區(qū)和源、漏區(qū)對(duì)應(yīng)覆蓋區(qū)域之間電容第76頁(yè)2、交流瞬態(tài)模型參數(shù)

（1）寄生電流參數(shù)溝道電流IDS已確定，兩個(gè)寄生PN結(jié)二極管電流UBS、UBD為襯-源和襯-漏寄生PN結(jié)二極管電壓（2）寄生勢(shì)壘電容第77頁(yè)AS和AD分別為源和漏結(jié)底面積，CJ為源或漏對(duì)襯底結(jié)單位面積零偏置電容，PS和PD分別為源結(jié)和漏結(jié)周長(zhǎng)，CJSW為源或漏側(cè)面單位周長(zhǎng)零偏置電容，mJ為源或漏底面積結(jié)梯度系數(shù)，mJSW為源或漏側(cè)面結(jié)梯度系數(shù)，UBJ為襯底結(jié)自建勢(shì)。第78頁(yè)（3）電荷存放產(chǎn)生柵溝電容參數(shù)

柵-襯覆蓋電容柵-源覆蓋電容柵-漏覆蓋電容L、W為溝道長(zhǎng)度和寬度；CGS0和CGD0分別為單位溝道寬度上柵-源和柵-漏覆蓋電容，CGB0為單位溝道長(zhǎng)度上柵-襯底覆蓋電容;第79頁(yè)3、極間電容隨工作條件發(fā)生改變（1）在截止區(qū)

溝道還未形成，柵-溝道電容CGC等于柵對(duì)襯底電容CGB

UGS增加，表面開(kāi)始反型，CGB伴隨UGS增大而減小≤

多子表面堆積狀態(tài)平帶狀態(tài)第80頁(yè)（2）在線(xiàn)性區(qū)溝道已經(jīng)形成，CGC=CGS+CGD

在UDS=0時(shí)，UGD=UGS，（3）在飽和區(qū)溝道中載流子電荷不隨漏極電壓改變而改變，CGD等于零，臨界飽和時(shí)，溝道開(kāi)始夾斷，UDS

=UGS

UT

，第81頁(yè)4.5交流小信號(hào)參數(shù)和頻率特征

小信號(hào)(Smallsignal)特征——在一定工作點(diǎn)上，輸出端電流IDS微小改變與輸入端電壓UGS微小改變之間有定量關(guān)系，是一個(gè)線(xiàn)性改變關(guān)系；小信號(hào)參數(shù)——不隨信號(hào)電流和信號(hào)電壓改變常數(shù)；假定：在任意給定時(shí)刻，端電流瞬時(shí)值與端電壓瞬時(shí)值間函數(shù)關(guān)系與直流電流、電壓間函數(shù)關(guān)系相同。第82頁(yè)4.5.1交流小信號(hào)參數(shù)

1．跨導(dǎo)

gm

反應(yīng)外加?xùn)艠O電壓(Input)改變量控制漏-源電流(Output)改變量能力轉(zhuǎn)移特征改變率輸出電流/輸入電壓gm=tgα在UDS一定條件下，柵電壓每改變1V所引發(fā)漏-源電流改變。第83頁(yè)跨導(dǎo)標(biāo)志MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管電壓放大本事與電壓增益

KV關(guān)系跨導(dǎo)越大，電壓增益也越大，跨導(dǎo)大小與各種工作狀態(tài)相關(guān)?？鐚?dǎo)越大，管子越好。負(fù)載電阻RL

輸出電阻輸出電壓/輸入電壓第84頁(yè)（1）線(xiàn)性區(qū)跨導(dǎo)gml

在線(xiàn)性工作區(qū)，當(dāng)UDS

UDsat時(shí)，gml

=

UDS

測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)UGS增大時(shí)gml下降。gml隨UDS增加而略有增大，（2）飽和區(qū)跨導(dǎo)gms在飽和工作區(qū)，當(dāng)UDS

UDsat時(shí)，基本上與UDS無(wú)關(guān)。提升gml和gms方法：增大管子溝道寬長(zhǎng)比W/L，減薄氧化層厚度等，提升載流子遷移率，適當(dāng)增大柵極工作電壓UGS

增益因子第85頁(yè)（3）襯底跨導(dǎo)gmb源與襯間加上反偏UBS，會(huì)影響流過(guò)溝道漏-源電流，將UDS換成UDsat，即飽和區(qū)襯底跨導(dǎo)；UDS愈高和|UBS|愈低時(shí)，gmb數(shù)值愈大。為取得高襯底跨導(dǎo)，需要選取高表面遷移率材料，設(shè)計(jì)大溝道寬長(zhǎng)比和使用高摻雜襯底材料。輸出電流/源襯電壓第86頁(yè)2．漏-源輸出電導(dǎo)gd

（1）線(xiàn)性工作區(qū)當(dāng)UDS較小時(shí)，飽和工作區(qū)跨導(dǎo)在UGS不太大時(shí)，gdl與UGS成線(xiàn)性關(guān)系。輸出電阻1/gdl隨UGS增大而減小。

當(dāng)漏-源電流較大時(shí)，gdl與UGS線(xiàn)性關(guān)系不再維持，是因?yàn)殡娮舆w移率隨UGS增加而減小。伴隨UDS增大，輸出電流/輸出電壓第87頁(yè)（2）飽和區(qū)在理想情況下，IDS與UDS無(wú)關(guān)。飽和工作區(qū)gds應(yīng)為零，即輸出電阻為無(wú)窮大?！€(xiàn)平坦實(shí)際管，飽和區(qū)輸出特征曲線(xiàn)總有一定傾斜，使輸出電導(dǎo)不等于零，即輸出電阻不為無(wú)窮大，有兩個(gè)原因。①溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)第88頁(yè)當(dāng)UDS

UDsat時(shí)，溝道有效長(zhǎng)度縮短當(dāng)（UGS

UT）增大時(shí)，gm也增大。當(dāng)UDS增加時(shí)，gds也增大，使輸出電阻下降。第89頁(yè)②漏極對(duì)溝道靜電反饋?zhàn)饔卯?dāng)UDS增大時(shí)，漏端N+區(qū)內(nèi)束縛正電荷增加，漏端耗盡區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度增大。漏區(qū)一些電力線(xiàn)會(huì)終止在溝道中，這么，N型溝道區(qū)中電子濃度必須增大，從而溝道電導(dǎo)增大；若管溝道長(zhǎng)度較小，即漏-源之間間隔較小，導(dǎo)電溝道較大部分就會(huì)受到漏極電場(chǎng)影響；假如襯底材料電阻率較低，漏-襯底以及溝道-襯底之間耗盡區(qū)較窄，靜電反饋影響就較小。這種效應(yīng)是指襯底低摻雜，溝道短情況下，漏襯PN結(jié)耗盡區(qū)寬度以及表面耗盡區(qū)寬度與溝道長(zhǎng)度可比擬時(shí)，漏區(qū)和溝道之間將出現(xiàn)靜電耦合，漏區(qū)發(fā)出場(chǎng)強(qiáng)線(xiàn)中一部分經(jīng)過(guò)耗盡區(qū)中止于溝道，致使反型層內(nèi)電子數(shù)量增加現(xiàn)象;第90頁(yè)3．串聯(lián)電阻對(duì)gm和gd影響（1）對(duì)跨導(dǎo)影響外接串聯(lián)電阻RS——源區(qū)體電阻、歐姆接觸及電極引線(xiàn)等附加電阻；RS影響后跨導(dǎo)跨導(dǎo)將減小RS起負(fù)反饋?zhàn)饔?，能夠穩(wěn)定跨導(dǎo)。假如RSgm很大，深反饋情況，跨導(dǎo)與器件參數(shù)無(wú)關(guān)。源區(qū)第91頁(yè)（2）對(duì)輸出電導(dǎo)影響RD

在線(xiàn)性工作區(qū)受RS及RD影響有效輸出電導(dǎo)串聯(lián)電阻RD和RS會(huì)使跨導(dǎo)和輸出電導(dǎo)變小，應(yīng)盡可能降低漏極和柵極串聯(lián)電阻。第92頁(yè)4.5.2MOS管頻率特征

寬帶簡(jiǎn)化電路模型輸源電容柵漏電容輸出電容Cin是柵-漏電容CGD與柵-源電容CGS并聯(lián)CO是漏-源電容CDS與襯-漏PN結(jié)勢(shì)壘電容CBD并聯(lián)CGS輸入電容第93頁(yè)1．截止頻率fT理想情況——忽略柵-漏電容CGD以及漏極輸出電阻rD

，

Cin≈CGS

截止頻率

T——流過(guò)CGS上交流電流上升到恰好等于電壓控制電流源（gmUGS）電流時(shí)（電壓放大倍數(shù)等于1）頻率

T

=

2

fT

在飽和工作區(qū)時(shí)與溝道長(zhǎng)度L平方成反比，溝道短管fT會(huì)更高。第94頁(yè)長(zhǎng)溝MOS管，溝道剛夾斷時(shí)溝道區(qū)橫向電場(chǎng)載流子渡過(guò)溝道區(qū)L所需要時(shí)間為渡越時(shí)間

，，

假如

減小溝道長(zhǎng)度L是提升截止頻率主要伎倆。第95頁(yè)2．最高工作頻率fMfM

——功率增益等于1時(shí)頻率；柵-溝道電容CGC

當(dāng)柵-源之間輸入交流信號(hào)之后，從柵極增加流進(jìn)溝道載流子分成兩部分，其中一部分對(duì)柵-溝道電容CGC充電，另一部分徑直經(jīng)過(guò)溝道流進(jìn)漏極，形成漏-源輸出電流。當(dāng)信號(hào)頻率

增加，流過(guò)CGC信號(hào)電流增加，從源流入溝道載流子用于增加?xùn)艤系离娙莩潆姴糠?，直?/p>

增大到足夠大，使全部溝道電流用于充電，則漏極輸出信號(hào)為0，即流入電容CGC電流等于輸入信號(hào)引發(fā)溝道電流時(shí)頻率

是管最高工作頻率

M。第96頁(yè)管跨導(dǎo)愈大，最高工作頻率愈高；柵極-溝道電容CGC愈小，最高工作頻率也愈高;管高頻優(yōu)值

gm/CGC——衡量管高頻特征，比值愈高，高頻特征愈好。提升fM，從結(jié)構(gòu)方面應(yīng)該使溝道長(zhǎng)度縮短到最低程度，也必須盡可能增大電子在溝道表面有效遷移率

n。硅材料電子遷移率

n比空穴遷移率

p大。n

M

=

2

fM

第97頁(yè)4.6MOS管開(kāi)關(guān)特征(Switching

feature)開(kāi)關(guān)狀態(tài)——管主要工作在兩個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)；兩種開(kāi)關(guān)特征——本征與非本征開(kāi)關(guān)延遲特征；本征延遲：載流子經(jīng)過(guò)溝道傳輸所引發(fā)大信號(hào)延遲；非本征延遲：被驅(qū)動(dòng)負(fù)載電容充-放電以及管之間RC延遲；MOS管用來(lái)組成數(shù)字集成電路，如組成觸發(fā)器、存放器、移位存放器等等。組成集成電路功耗小、集成度高。第98頁(yè)4.6.1MOS管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程開(kāi)關(guān)等效電路開(kāi)和關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換即在截止區(qū)和可變電阻區(qū)間往返切換，且受UGS控制非本征開(kāi)關(guān)過(guò)程

(外部狀態(tài)影響)電阻負(fù)載倒相器負(fù)載電阻負(fù)載電容電源IDS階躍信號(hào)(方波)第99頁(yè)（1）開(kāi)經(jīng)過(guò)程

延遲時(shí)間上升時(shí)間延遲過(guò)程——輸入柵壓UGS增加，信號(hào)UG(t)向柵電容CGS和CGD充電，伴隨柵壓增加，經(jīng)過(guò)一定延遲，柵電容CGS上柵壓到達(dá)閾值電壓UT時(shí)，輸出電流開(kāi)始出現(xiàn)；上升過(guò)程——UGS超出UT時(shí)，進(jìn)入線(xiàn)性工作區(qū)，UG(t)使反型溝道厚度增厚，電流開(kāi)始快速增大；在上升時(shí)間tr結(jié)束時(shí)，電流到達(dá)最大值，柵壓到達(dá)UGS2；延遲UT理想開(kāi)波形UGS2為何輸入方波，而實(shí)際如此改變？第100頁(yè)（2）關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間下降時(shí)間儲(chǔ)存過(guò)程——去掉柵壓，柵電容CGS放電，柵壓UGS下降，當(dāng)UGS下降到上升時(shí)間結(jié)束時(shí)柵壓UGS2時(shí)，電流才開(kāi)始下降；也是管退出飽和時(shí)間；下降過(guò)程——儲(chǔ)存時(shí)間結(jié)束后，UGS繼續(xù)放電，柵壓UGS從UGS2深入下降，反型溝道厚度變薄，電流快速下降，當(dāng)UGS小于UT后，管截止，關(guān)斷過(guò)程結(jié)束；延遲理想關(guān)波形UTUGS2第101頁(yè)非本征開(kāi)關(guān)時(shí)間柵峰值電壓輸入電容電流脈沖發(fā)生器內(nèi)阻開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間近似相等ton=toff

非本征開(kāi)關(guān)時(shí)間受負(fù)載電阻RL、負(fù)載電容CL、柵峰值電壓UGG以及電容和電阻影響，減小柵電容及電阻值是很主要。4.6.2MOS管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)算

第102頁(yè)本征延遲開(kāi)關(guān)過(guò)程

定義：本征延遲過(guò)程時(shí)間是柵極加上階躍電壓，使溝道導(dǎo)通，漏極電流上升到與導(dǎo)通柵壓對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)值所需要時(shí)間。載流子渡越溝道長(zhǎng)度，該過(guò)程與傳輸電流大小和電荷多少相關(guān)，與載流子漂移速度相關(guān)，漂移速度越快，本征延遲過(guò)程越短。第103頁(yè)在線(xiàn)性區(qū)，UDS→0時(shí)，本征開(kāi)通延遲時(shí)間飽和區(qū)本征開(kāi)通延遲時(shí)間減小溝道長(zhǎng)度是減小開(kāi)關(guān)時(shí)間主要方法；溝道不太長(zhǎng)，本征開(kāi)通延遲時(shí)間較短。如L=5

m，

n

=60cm2/（V·s）NMOS管，UDS

=UGS

UT=5V時(shí)，tch只有111ps。普通說(shuō)來(lái)，若溝道長(zhǎng)度小于5

m，則開(kāi)關(guān)速度主要由負(fù)載延遲決定。對(duì)于長(zhǎng)溝管，本征延遲與負(fù)載延遲可相比擬，甚至超出。第104頁(yè)4.7MOS管二級(jí)效應(yīng)——理想結(jié)果修正

二級(jí)效應(yīng)——非線(xiàn)性、非一維、非平衡等原因?qū)-V特征產(chǎn)生影響，它們包含：非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)、體電荷效應(yīng)、短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)等。4.7.1非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)

實(shí)際情況，MOS管表面載流子遷移率與表面粗糙度、界面陷阱密度、雜質(zhì)濃度、表面電場(chǎng)等原因相關(guān)。電子表面遷移率范圍為550～950cm2/（V·s），空穴表面遷移率范圍為150～250cm2/（V·s），電子與空穴遷移率比值為2～4。在低柵極電壓情況下測(cè)得，即UGS僅大于閾值電壓1～2V。第105頁(yè)當(dāng)柵極電壓較高時(shí)，發(fā)覺(jué)載流子遷移率下降，這是因?yàn)閁GS較大時(shí)，垂直于表面縱向電場(chǎng)也較大，載流子在沿溝道作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)與Si-SiO2界面發(fā)生更多碰撞，使遷移率下降。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在低電場(chǎng)時(shí)是常數(shù)，電場(chǎng)到達(dá)0.5～1

105V/cm時(shí)，遷移率開(kāi)始下降。然而：遷移率下降結(jié)果表明：飽和工作區(qū)，漏-源電流隨UGS增加不按平方規(guī)律；線(xiàn)性工作區(qū)，對(duì)于UGS較大情況下曲線(xiàn)匯聚在一起；已知：原因：第106頁(yè)遷移率隨縱向電場(chǎng)增大而降低規(guī)律在線(xiàn)性工作區(qū)非常數(shù)表面遷移率效應(yīng)使遷移率下降，使電流-電壓特征變差。低電場(chǎng)時(shí)遷移率電場(chǎng)下降系數(shù)經(jīng)過(guò)氧化層縱向電場(chǎng)第107頁(yè)4.7.2體電荷效應(yīng)

在MOS場(chǎng)效應(yīng)管電流-電壓關(guān)系計(jì)算時(shí)候，理想條件下溝道下面厚度近似不變，電荷密度QBm(x)基本上和位置無(wú)關(guān)。當(dāng)UDS增加，尤其是當(dāng)UDS靠近于UDsat時(shí)，溝道下面耗盡層厚度顯著不為常數(shù)，這時(shí)必須考慮體電荷改變影響。表面開(kāi)始強(qiáng)反型表面勢(shì)表面耗盡層內(nèi)單位面積上電離受主電荷密度溝道方向有電壓降第108頁(yè)表面強(qiáng)反型條件反型區(qū)電荷簡(jiǎn)單模型估算電流偏高20%～50%，而且UDSat也偏大。通常在電流小于最大值20%時(shí)，兩種模型結(jié)果基本相符襯底摻雜濃度降低后，體電荷影響減弱依據(jù)書(shū)本241頁(yè)式子4-52推理沒(méi)有考慮體電荷改變第109頁(yè)4.7.3短溝道效應(yīng)——L影響

假如溝道長(zhǎng)度縮短，源結(jié)與漏結(jié)耗盡層厚度可與溝道長(zhǎng)度比擬時(shí)，溝道區(qū)電勢(shì)分布將不但與由柵電壓及襯底偏置電壓決定縱向電場(chǎng)EX相關(guān)，而且與由漏極電壓控制橫向電場(chǎng)EY也相關(guān)。短溝道效應(yīng)——在溝道區(qū)出現(xiàn)二維電勢(shì)分布以及高電場(chǎng)，會(huì)造成閾值電壓隨L縮短而下降，亞閾值特征降級(jí)以及因?yàn)榇┩ㄐ?yīng)而使電流飽和失效；此時(shí)，緩變溝道近似不成立，二維電場(chǎng)分布造成閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度改變。第110頁(yè)溝道長(zhǎng)度縮短，溝道橫向電場(chǎng)增大時(shí)，溝道區(qū)載流子遷移率改變與電場(chǎng)相關(guān)，最終使載流子速度到達(dá)飽和。當(dāng)電場(chǎng)深入增大時(shí)，靠近漏端處發(fā)生載流子倍增，從而造成襯底電流及產(chǎn)生寄生雙極型晶體管效應(yīng)，強(qiáng)電場(chǎng)也促使熱載流子注入氧化層，造成氧化層內(nèi)增加負(fù)電荷及引發(fā)閾值電壓移動(dòng)、跨導(dǎo)下降等第111頁(yè)1、短溝道MOS管亞閾值特征實(shí)踐發(fā)覺(jué)：當(dāng)溝道縮小時(shí)，因?yàn)槁响o電反饋效應(yīng)，閾值電壓UT顯著減小。標(biāo)準(zhǔn)N溝MOS制作工藝：襯底為（100）晶面P型硅片，柵氧化層取一定厚度，用X射線(xiàn)光刻方法得到長(zhǎng)度從1～10

m多晶硅柵，它們寬度均為70

m，漏和源區(qū)由砷離子注入及隨即退火工藝形成。依據(jù)注入能量及退火條件，可得到從0.25～1.56

m不一樣結(jié)深，接觸金屬采取鋁制作。第112頁(yè)顯然：1、亞閾值電流與漏極電壓UD無(wú)關(guān)，2、圖中表現(xiàn)為實(shí)線(xiàn)（UD=1.0V）與虛線(xiàn)（UD=0.5V）偏離，但當(dāng)溝道長(zhǎng)度從7

m變短為1.5

m情況，亞閾值電流與UD關(guān)系變顯著。第113頁(yè)顯然：1、當(dāng)襯底摻雜濃度較低（）時(shí)，器件偏離長(zhǎng)溝道特征也變顯著，即使在L=7

m時(shí)，實(shí)線(xiàn)與虛線(xiàn)也已開(kāi)始分離。2、當(dāng)L=1.5

m時(shí)，長(zhǎng)溝道特征幾乎全部消失，器件甚至不能“截止”了，由圖能夠得出，溝道縮小時(shí)，UT

顯著減小。第114頁(yè)2、最小溝道長(zhǎng)度Lmin

當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管管氧化層厚度為100～1000?，襯底摻雜濃度為1014～1017cm

3，結(jié)深為0.18～1.5

m，漏極電壓直到5V，由此可得到下述表示含有長(zhǎng)溝道亞閾值特征