場效應晶體管-MOSFET

1、N溝硅基MOSFET結構示意圖N溝MOSFET剖面圖溝道電荷在體內靠近氧化層界面處的積累沿溝道的能帶圖MOSFET結構與能帶圖0DSV半導體表面的能帶圖kTEECsfCeNn/)(fs2閾值電壓表面勢各種類型半導體中的能帶圖增強型NFET增強型PFET耗盡型NFET耗盡型PFETMOSFET的示意符號源漏電壓為零時的NFET垂直溝道的能帶圖和沿溝道的能帶圖VOX ：柵電壓VG 降落在 SiO2 絕緣層上的部分VS ： 柵電壓VG 降落在半導體表面的部分VFB ：平帶電壓thoxoxTGSVVkTEECsfCcheNn/)(fCchBEEEkTECsBeNn/SCBnNkTElnpBgsEEq1

2、pTGSVV一定偏壓下NFET垂直溝道的能帶圖和沿溝道的能帶圖0DSV典型的MOSFET特性不同電壓下沿溝道方向的能帶圖)源(LSDEnIdydEqECL1thoxoxTGSVVpBgsEEq1kTECsBeNn/MOSFET就是一個壓控電阻。這個電阻位于源漏之間，通過控制提供電導的溝道載流子數(shù)來控制源漏間的溝道電導。在MOSFET，通過調節(jié)柵壓控制半導體能帶彎曲來實現(xiàn)。柵壓迫使導帶底更加靠近或者遠離費米能級。NFET的結構與縱向、橫向電場)(y長溝模型DSDVIL5um10um)()(yvyWQIchD)()()(yEyyvL)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 )()()

3、(ydVyyWQdyIchchD0,0DchIQTGSVVTGSVVoxtWXLtACoxoxoxtC單位面積氧化層電容0roxTGSGSchTGSTchGSchGSchGSchoxVVVQVVVQVQVQdVdQC0)()()()(GSchchVQQ)(TGSoxchVVCQ0DSV)()(yVVVCyQchTGSoxch)(yVVVchTGS飽和電流與飽和電壓的定義satDsatchWIQmin)()(yvyWQIchD)()(yVVVCyQchTGSoxch飽和電流曲線)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI溝道載流子遷移率)()()(ydVyyWQdyIchch

4、D222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI)(TGSDSsatVVV電流飽和效應的說明 2)()()0()()0()(2)()()()()2)(22oxDTGSTGSCchCCoxDTGSTGSchchchTGSoxDWCyIVVVVqEyqVEyEWCyIVVVVyVyVyVVVyWCI)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 電流飽和效應的進一步說明 )()(21 1)()0(2)(1)(2TGSDSDSTGSDSTGSoxDGSoxDLoxDTGSoxDCchLVVVVVVVLVVWCIVVWCIWCyIVVWCIdydEqdydVy)0()(0LT

5、GSoxDVVWCIy溝道長度調制效應)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI不同柵壓下n溝MOSFET特性曲線222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI溝道長度效應的定性解釋u漏極電壓增加，有效溝道長度減少u漏極電壓增加，閾值電壓數(shù)值減少LLIVLLWCIDsatDSsatoxDsat1)(22LLLL111)(DSsatDSVVLL)(1DSsatDSDsatDVVII半導體器件原理南京大學(5) P MOSFET特性特性結構與特性與N MOSFET完全相同，但（1）PN（2）電流與電壓極性相反（3）溝道中空穴的流動代替電子P MOSFET中，

6、源處于高電勢，在CMOS中與電源相聯(lián)，并且N襯底（或Well）也與電源相聯(lián)。N MOSFET中，P型襯底與地相聯(lián)。使CMOS 中n-well-p-substrate 反偏。 半導體器件原理南京大學P-SubstrateSiO2GateNPNVG=0WellSiO2GateP N PVG=0VsVVd半導體器件原理南京大學3. MOSFET溝道遷移率有效遷移率與有效電場有效遷移率與有效電場之間存在一通用公式，它不依賴于襯底偏壓，摻雜濃度及柵氧化層厚度。oxtgoxBfbteffBfbtoxBasididSieffxxnefftVVtVVEVVCqNQQQEdxxndxxnii632)2(4)21

7、(1)()(00橫向電場對遷移率的影響橫向電場對遷移率的影響 除晶格散射和電離雜質散射，F(xiàn)ET溝道中的電子還要經(jīng)受與溝道壁碰撞引起的附加散射，使低場遷移率降低到體遷移率的1/2。tvl能帶彎曲的增加導致橫向電場增大影響導帶底斜率的因素：1、固定電荷QB2、溝道中有可動電荷Qch橫向電場強度隨溝道的摻雜濃度、偏置條件以及在溝道中的深度而改變N溝MOSFET的低場遷移率隨VGS的變化DSatDSatTGslfoxDsatchTGSlfVVVVLWCIVVV)2()(10)(1chTGSlfVVV考慮橫向點電場影響前后的計算結果比較縱向電場對溝道遷移率和溝道電子速度的影響縱向電場對溝道遷移率的影響光

8、學聲子散射引起的兩次碰撞之間平均自由時間減小的結果satLlflfsatLlfLlfvvv11簡單模型和考慮載流子速度飽和模型計算的電流電壓曲線)( 1)(21()1 ()1 (2/100TGSsatLTGSlflfsatDSatDSatDSsatDSatlfVchchlfDDSatDSsatDSlfVchchlfDVVvVVLvVVVLvVLdVQWIVVLvVLdVQWIDSatDS縱向電場對電流的影響縱向電場對電流的影響 相當于溝道長度變長飽和電壓隨溝道長度的變化飽和電壓隨溝道長度的變化)( 1)(21(2/1TGSsatLTGSlflfsatDSatVVvVVLvV飽和電壓隨溝道長度的

9、減小而減小飽和電流隨溝道長度的變化關系半導體器件原理南京大學電子遷移率：高電場作用下增強了表面粗糙散射的作用，使遷移率下降更快。對一定摻雜，由于庫倫（雜質）散射的作用，存在一有效電場，其下的遷移率低于通用值。在高摻雜或低的柵壓條件下，庫倫散射的作用為主，但當反型層電荷濃度較高時由于屏蔽作用會使該作用減弱。低溫下，低電場時庫倫散射為主，高電場時表面散射為主。3/132500effeffE半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學空穴遷移率：)31(1idSieffQQE相關串聯(lián)電阻相關串聯(lián)電阻DchStotRRRR簡單長溝模型、考慮速度飽和的模型以及考慮串聯(lián)電阻的電流電壓曲線。飽和電流與飽和電

10、壓的定義半導體器件原理南京大學4. 亞閾值特性：數(shù)字邏輯和存儲電路中（P342，8.3）在有幾十萬甚至上百萬個晶體管的集成電路中，關態(tài)電流可以造成可觀的功耗，并引起溫度升高。)()(/ )(01)0(1)(oxDBDBoxoxGSchTGSnkTVVqDCCnCCCVyVnVVeIITGS1/n 表示VGS-VT中影響源溝道勢壘的部分所占的比例。Vch(y=0)溝道源端處相對于源極的溝道電壓。dmoxoxdmoxBaSiWtCCCqNm3114/1半導體器件原理南京大學線性坐標半對數(shù)坐標半導體器件原理南京大學數(shù)字邏輯和存儲電路中低漏電壓V0：漏電流(dV/dy)中的漂移場(ds/dy) 與擴散

11、:強反型：漂移電流為主 (ds/dV1)亞閾值：擴散電流為主 (ds/dV0)/)(/()/(1)/(2/22/22oxsaSioxkTqaikTqaisCQqNCeNneNndVdss2/1/ )(222kTVqaisoxaSisfboxssfbgseNnkTqCkTNVCQVV半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學亞閾值電流2()/22/222()(1)2ssdsqVkTSiaiisaqkTqVkTSiaidseffsaqNnkTQeq NqNnWkTIeeLqN2/ 1/ )(222kTVqaisaSisSisseNnkTqkTNEQdsVieffdsdVVQLWI0)(第二項（反

12、型層電荷密度Qi）遠小于第一項（耗盡層電荷密度Qd）半導體器件原理南京大學亞閾值擺幅：（漏電流變化10倍所對應的柵壓變化）不大依賴于器件參數(shù)，微依賴于摻雜濃度)1 (3 . 23 . 2)(log(110oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdS()/2()/22442(1)(2)()(1)4(1)()(1)gtdsgtdsSiasgfbsoxSiaBSiaBfbBsBoxoxq VVmkTqVkTSiadseffBq VVmkTqVkTdseffoxqNVVCqNqNVCCqNWkTIeeLqWkTorICmeeLq BBs22ln()ABiNkTqn半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京

13、大學5. 襯底偏壓和溫度對閾值電壓的影響襯底的敏感（體效應）襯偏電壓就是為了防止MOSFET的場感應結以及源結和漏結發(fā)生正偏、而加在源-襯底之間的反向電壓。對于加有襯偏電壓的MOSFET，從工作本質上來說，可看成是由一個MOSFET和一個JFET并聯(lián)而成的器件，只不過其中JFET的作用在此特別稱為MOSFET的體效應而已。這就是說，加上襯偏電壓也就相當于引入了一個額外的JFET。JFET的功能溝道-襯底的場感應p-n結作為柵極控制著輸出電流IDS的大小1.MOSFET在出現(xiàn)溝道（反型層）以后，雖然溝道下面的耗盡層厚度達到了最大（這時，柵極電壓即使再增大，耗盡層厚度也不會再增大）；但是，襯偏電壓

14、是直接加在源-襯底之間的反向電壓，它可以使場感應結的耗盡層厚度進一步展寬，并引起其中的空間電荷面密度增加，從而導致器件的閾值電壓VT升高。而閾值電壓的升高又將進一步影響到器件的IDS及其整個的性能，例如柵極跨導降低等。襯底摻雜濃度越高，襯偏電壓所引起的空間電荷面密度的增加就越多，則襯偏效應越顯著2.由于襯偏電壓將使場感應結的耗盡層厚度展寬、空間電荷面密度增加，所以，當柵極電壓不變時，襯偏電壓就會使溝道中的載流子面電荷密度減小，從而就使得溝道電阻增大，并導致電流減小、跨導降低。襯偏效應對器件性能的影響 背柵調制作用半導體器件原理南京大學oxbsBaSibstoxbsBaSiBfbtbsBdsbs

15、BoxasidsdsBfbgoxeffdsBaSiBfbbsgoxiCVqNdVdVCVqNVVVVVCqNVVVVLWCIVqNVVVVCQ)2(2/)2(22)2()2(322)22()2(2)2(2/32/3dsVieffdsdVVQLWI0)(半導體器件原理南京大學反向襯底偏壓加大了體耗盡區(qū)的寬度，提高了閾值電壓。把源極和襯底短接起來，當然可以消除襯偏效應的影響，但是這需要電路和器件結構以及制造工藝的支持，并不是在任何情況下都能夠做得到的。例如，對于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以進行源-襯底短接，而其中的p-MOSFET則否；對于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可

16、以進行源-襯底短接，而其中的n-MOSFET則否。 改進電路結構來減弱襯偏效應。例如，對于CMOS中的負載管，若采用有源負載來代替之，即可降低襯偏調制效應的影響（因為當襯偏效應使負載管的溝道電阻增大時,有源負載即提高負載管的VGS來使得負載管的導電能力增強）。減弱或消除襯偏效應的措施半導體器件原理南京大學溫度的影響：TNNdTNNdanddTdEqdTNNdNNqkTNNNqkeNNNqkTdTddTdWheredTdCqNdTdEqdTdVCqNqEVvcvcgvcvcavckTEvcaBBoxBaSigtoxBaSiBgtg/2321)ln()ln()/1(21422/（通常在1mV/K）

17、半導體器件原理南京大學dTdEqmNNNqkmdTdVVgavctt123)ln()12(閾值電壓下降和亞閾值斜率的退化MOSFET器件零柵壓時的漏電流在100C是室溫的30-50倍。半導體器件原理南京大學 長溝道 MOSFETs半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學1. 漏電流模型反型層電荷密度與準費米勢aBSidmBkTqkTqVaikTqSiakTVqaiqNyVyWyVykTqeeNnkTqekTNdxdyxEeNnyxn2)(2)(2)(), 0() 1() 1(2)(),(),(/22/22/ )(2半導體器件原理南京大學半導體器件原理南京大學漸變溝道近似漸變溝道近似: 溝道

18、方向上的電場變化遠小于垂直于溝道方向的電場變化。泊松方程的一維求解。并忽略溝道中的產(chǎn)生與復合效應dxdqndxdnqnkTdxdqnJnninn)(半導體器件原理南京大學dsdsVieffdsVieffLdsieffieffdsdVVQLWIdVVQWdyIVQdydVWyQdydVWyI000)()()()()(dxyxnqyQanddxdydVyxnqWyIdyydVyxnqyxJiixixndsnn00),()(),()()(),(),( 半導體器件原理南京大學2/ 1/ )(220/ )(22),()/(kTVqaisoxaSisfboxssfbgVkTVqaieffdssdsSBeN

19、nkTqCkTNVCQVVdVdVEeNnLWqIdVEeNnqdddxVnqVQeNnVnyxnSBBskTVqaiikTVqai),()/(),()(),(),(/)(2/)(2Pao和和Sahs雙積分：雙積分：反型區(qū)2/1/22/) 1() 1(2),(kTqeeNnkTqekTNyxEkTqkTqVaikTqSia 半導體器件原理南京大學2。MOSFET 電流電壓特性(1)電荷層近似：反型層中無電勢降落或能帶彎曲。)2()2(322)22()()2(2)2()2()()2(22/ 32/ 30BdsBoxasidsdsBfbgoxeffdsVieffdsBaSiBfbgoxdsiBfbgoxsfbgoxsBaSidmadVCqNVVVVLWCIdVVQLWIVqNVVVCQQQVVVCVVCQVqNWqNQds半導體器件原理南京