MOS場效應(yīng)晶體管

1、1第七章 MOS場效應(yīng)晶體管7.1 基本工作原理和分類7.2 閾值電壓7.3 I-V特性和直流特性曲線7.4 擊穿特性7.5 頻率特性7.6 功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)7.7 開關(guān)特性7.8 溫度特性7.9 短溝道和窄溝道效應(yīng)27.1 MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)二、MOSFET的基本工作原理三、MOSFET的分類37.1 MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖47.1 MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)567.1 MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)77.1 MOSF

2、ET基本工作原理和分類87.1 MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半導(dǎo)體的“表面場效應(yīng)” 當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。 當(dāng)柵極加有電壓0VGSVT時(shí)，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不足以形成漏極電流ID。97.1 MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基本工作原理107.1 MOSFET基本工作原理和分類二、MOS

3、FET的基本工作原理柵源電壓對溝道的影響117.1 MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基本工作原理漏源電壓對溝道的影響127.1 MOSFET基本工作原理和分類三、MOSFET的分類類型n溝MOSFETp溝MOSFET耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型襯底p型n型S、D區(qū)n+區(qū)p+區(qū)溝道載流子電子空穴VDS00IDS方向由DS由SD閾值電壓VT0VT0VT0，則也應(yīng)減去相應(yīng)電壓32337.2 MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響NA(ND)通過費(fèi)米勢（以及功函數(shù)）影響VT

4、FoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDFniAFpnNqkTnNqkTlnln 每2個(gè)數(shù)量級約0.1V(eV)影響不大真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)Enm m oxc cc cs s csEE 0c c347.2 MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響NA(ND)通過場感應(yīng)結(jié)耗盡層空間電荷影響VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2max210maxmax2sAdABVqNxqNQoxACNFqF ;20設(shè)體效應(yīng)系數(shù)msiABSFoxoxTnVnN

5、qkTVyVCQVln2)(221 35oxAoxoxoxoxoxAdNqdCqFCNF 00002236msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 襯底雜質(zhì)濃度越大，其變化對VT的影響越大，是因?yàn)殡s質(zhì)濃度越大，越不易達(dá)到表面強(qiáng)反型37襯底反偏VBS通過NA(ND) 影響QBmax，從而改變VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 即不同的 NA下，VBS對VT的影響也不同 1)22()2(21)2(2121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVCQqNCVqNCV向負(fù)方向漂移（更負(fù)）增

6、大，即隨對于向正方向漂移（更正）增大，即隨對于TpBSTpBTnBSTnBVVVQVVVQ, 0, 0MOS,溝p, 0, 0MOS,溝nmaxmax 越大下，）越大，同樣（增大；且增大，總之，TBSDATBSVVNNVV 38越大下，同樣）越大，（且增大；增大，總之，TBSDATBSVVNNVV 1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響391.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響iAFnNqkTln imgmsnNqkTEqVln)2(1 c c210maxmax2sdBVqNxqNQ

7、襯底雜質(zhì)濃度N可以通過F、Vms及QBmax影響VT，其中影響最大者為QBmax，故現(xiàn)代MOS工藝中常用離子注入技術(shù)調(diào)整溝道區(qū)局部N來調(diào)整VToxsoxBTCqNCQVmax Ns為注入劑量綜上所述：407.2 MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差ms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響界面態(tài)電荷（界面陷阱電荷）半導(dǎo)體表面晶格周期中斷，存在“懸掛鍵”（高密度局部能級）。束縛電子帶負(fù)電荷，俘獲空穴則帶正電荷。這種由懸掛鍵引起的表面電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，與SiO2交界，又稱界面態(tài)其帶電狀態(tài)與能帶彎曲有關(guān)，且有放電馳豫時(shí)間

8、，應(yīng)盡量降低其密度41固定氧化物電荷可動離子電荷電離陷阱電荷位于界面SiO2側(cè)20nm的區(qū)域內(nèi)，密度約1011cm-2，帶正電荷。一般認(rèn)為是界面附近存在未充分氧化的Si離子過剩硅離子及氧空位特點(diǎn)：固定正電荷，不隨表面勢或能帶彎曲程度而變化 與硅摻雜濃度及類型無關(guān)，與SiO2膜厚度無關(guān) 與生長條件（氧化速率）、退火條件和晶體取向有關(guān)起因于進(jìn)入SiO2層中的Na+、K+、Li+等輕堿金屬離子及H+離子特點(diǎn)：室溫可動，溫度和電場作用可使之移動。X-射線、射線、高能/低能電子束等照射SiO2膜時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對，若同時(shí)存在電場，則電場使電子-空穴分離，正柵壓的電場使部分電子移向柵極并泄放，多余空穴在未

9、被硅側(cè)電子補(bǔ)償時(shí)積聚在界面附近形成正電荷層4243 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，對表面狀態(tài)的影響也不同。距離越近，影響越強(qiáng)。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n-MOS：Qox若較大，則易為耗盡型。欲得增強(qiáng)型，需控制Qox，并適當(dāng)提高襯底濃度 對p-MOS：VT總是負(fù)值，易為增強(qiáng)型。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。44n當(dāng)NA1015cm-3時(shí)， VT隨NA上升明顯，且逐漸由負(fù)變正n隨Qox增大，轉(zhuǎn)變點(diǎn)對應(yīng)的NA增大n

10、當(dāng)Qox1012cm-2時(shí)，即使NA1017cm-3，仍有VT0)，可以n提高襯底濃度NAn降低氧化層中電荷量Qox457.2 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，以表面勢達(dá)到2倍費(fèi)米勢，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4647kTVqikTqVpskTVqikTqVpssFsFsseneppenenn)(0)(0 MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面電荷密度與表面勢的關(guān)系0000;2;0pspsFsissFspspssnppnVnpnVppnnV 反型：耗盡：平帶：48002*

11、,2*)( 0* ：1BssFnBsFsFsFiFspnVQpnVEEV ，強(qiáng)反型很小但開始出現(xiàn)并，弱反型，能帶由平帶彎曲至，耗盡，劃分 ，強(qiáng)反型強(qiáng)反型開始中反型中反型開始弱反型弱反型開始，耗盡：劃分sFFFsFFFsFFFsVqkTnqkTnqkTnVVV 2*2 ,22*2 ,2* 0*2HO MOLO49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)過渡綜上所述：1、Vs=2F時(shí)，ns=pB0，但Qn很小，故在前述討論中忽略是合理的2、 Vs=2F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。故當(dāng)VGB較大時(shí)，假定V

12、s=2F進(jìn)入強(qiáng)反型，才不會引入太大誤差。3、強(qiáng)反型需要Qn的屏蔽作用，使xd xdmax。 Vs=2F時(shí)，ns=pB0是以所用襯底的濃度為標(biāo)準(zhǔn)，若NA很低，則ns也將很小，故是相對標(biāo)準(zhǔn)，不能保證屏蔽作用。50soxGVVV517.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線一、MOSFET的電流-電壓特性二、MOSFET的特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)527.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線一、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),(DSGSDSVVfI )()()()()(2)()(2)()(),()(),(),(0yxqNyQyQy

13、QyQVyVVCyQVyVCyQVdxWyxnqyQyxJyxndABBsnFBFGSoxsFBFoxsGSxnd 其中，可求得由形成電流在電場作用下，溝道中根據(jù)歐姆定律： BCoxGVFB53xyxnnp0y1y2y3ynxyzx, y, znnn05455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n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.跨過氧化層而保持反型層電荷的沿 x 方向的電場分量Ex與溝道中使載流子沿溝道長度y方向運(yùn)動的電場分量Ey無關(guān)，且 即滿足緩變溝道近似yExEyx 溝道電場y方向變化很小Y方

14、向電場也很小56計(jì)算：強(qiáng)反型情況下，離開源端y處，表面感應(yīng)總電荷面密度Qs(y)()()(yQyQyQBns 溝道電流ID沿溝道y方向產(chǎn)生壓降V(y)，此時(shí)表面勢FsyVyV 2)()( MOS結(jié)構(gòu)強(qiáng)反型所需柵壓FBsoxGSVyVyVV )()(其中oxoxoxsoxtyECyQyV )()()(故表面開始（已經(jīng)）強(qiáng)反型時(shí)2)()(2)()(FBFGSoxsFBFoxsGSVyVVCyQVyVCyQV BCoxGVFB57此時(shí)，場感應(yīng)結(jié)耗盡層中（電離受主）電荷面密度2102)(2)()(FAdAByVqNyxqNyQ p-n結(jié)外加電壓p-n結(jié)接觸電勢差則)(2)()()()(maxTGSox

15、oxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 說明強(qiáng)反型后，多余的VGS用于Qn(y)由歐姆定律dydVyxnqEqyxnEyxyxJnyny),()(,(),(),( 2)()(FBFGSoxsVyVVCyQ 58dydVyQWdxyxqndydVWdxWdydVyxnqdSyxJyIdxWdSdydVyxnqEqyxnEyxyxJnnxnxnnnynydd)( ),(),(),()(),()(,(),(),(00 ）積分，則有對溝道橫截面積（ DSVTGSoxnLDSTGSoxnnDSTGSoxnnDSdVyVVVCWdyIdVyVVVCWdyyIdyIdydVyVVVC

16、WyII00)()()()()( 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI n溝MOSFET基本I-V方程5921)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI 件結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)因子，是一個(gè)取決于器稱令 LCWoxn 21)(2DSDSTGSVVVV 近似線性關(guān)系與即時(shí)，當(dāng)DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因?yàn)?，?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 60VDSIDSVGSVGS IDsatVGS-VTIDsat非飽和區(qū)近似線性關(guān)系與即

17、時(shí)，當(dāng)DSDSDSTGSDSTGSDSVIVVVIVVV,)()( 因?yàn)?，?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DSDSDSDSVIVV221* 因?yàn)閂DS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oxoxBTGDDSGSnTGSDSVCyQVVVVLQVVV )(；0)(max）；（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稱飽和漏源電流2)(2TGSDsatVVI 溝道夾斷在y=L點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的VDS=VGS-VT，稱

18、為飽和漏源電壓VDsat=VDsat 夾斷點(diǎn)處保持V(y)=VDsat=VGS-VT的溝道壓降，并隨VDS的增加而向源端移動，夾斷點(diǎn)與溝道漏端之間形成夾斷區(qū));TDSGSGDTGSDSTGSDSVVVVVVVVVV 時(shí)，（當(dāng) 增加的漏源電壓降落在夾斷區(qū)上，夾斷區(qū)電場增大，緩變溝道近似不再成立近似在飽和區(qū)以2)(2TGSDSVVI 6162關(guān)于絕緣層中的電場Eox：在源端y=0，tox兩側(cè)壓降Vox為VGS(VT)，Eox由柵極指向源極隨y增大，V(y)，tox兩側(cè)壓降為VGS-V(y), Eox由柵極指向溝道區(qū)在夾斷點(diǎn)，V(y)=VGS-VT(VDsat)， tox兩側(cè)壓降為VT， Eox由柵

19、極指向溝道區(qū)在夾斷點(diǎn)漏端側(cè)某處V(y)=VGS，Vox=0， Eox=0對于耗盡型nMOSFET，VTVGS，則在夾斷點(diǎn)源端側(cè)有Eox=0金屬柵極SiO2n+n+y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTEox=0VDS參見p27163曾經(jīng)假設(shè)溝道載流子遷移率為常數(shù)實(shí)際上，由于Ex的散射，以及半導(dǎo)體表面存在更多的缺陷和其它散射中心，使溝道載流子遷移率比體內(nèi)的遷移率低得多另外，遷移率的變化與垂直方向場強(qiáng)Ex密切相關(guān)關(guān)于溝道中載流子遷移率647.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線二、MOSFET的特性曲線1、輸出特性曲線DsatVDSI非飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)輸出特

20、性曲線描繪IDSVDS(VGS)關(guān)系曲線分4個(gè)區(qū)：非飽和區(qū)：VDSVdsat,，IDSVDS近似線性關(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、右兩圖中對應(yīng)曲線的溝道導(dǎo)電狀況相同）襯底偏置（背柵）的作用66均以源極

21、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)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI msiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2)(21210計(jì)算電流-電壓方程時(shí)僅考慮了V(y)的作用，未計(jì)入VBS677.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線二、MOSFET的特性曲線2、轉(zhuǎn)移特性曲線 作為電壓控制器件，轉(zhuǎn)移特性表征柵源輸入電壓VGS對漏源輸出電流IDS的控制能力 與JFET一樣，MOSFET的轉(zhuǎn)移特性可從輸出特性曲線族上得到耗盡型MOSFET增強(qiáng)型MOSFET68

22、耗盡型增強(qiáng)型P溝n溝P溝n溝電路符號轉(zhuǎn)移特性輸出特性697.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)1、閾值電壓VTFoxBoxoxmsTCQCQVV 2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmaxiABSFAoxoxoxmsTnnNqkTVyVqNCCQVVln2)(221210對耗盡型器件，又稱夾斷電壓；對增強(qiáng)型器件，又稱開啟電壓它是通過VGS的變化，使導(dǎo)電溝道產(chǎn)生/消失的臨界電壓，是VGS能夠：抵消金-半接觸電勢差補(bǔ)償氧化層中電荷建立耗盡層電荷（感應(yīng)結(jié)）提供反型的2倍

23、費(fèi)米勢707.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)2、（最大）飽和漏源電流IDSS定義：當(dāng)VGS=0時(shí)的飽和漏源電流。對于耗盡型MOSFET，VGS=0時(shí)已有導(dǎo)電溝道。IDSS對應(yīng)于VGS=0時(shí)輸出特性曲線飽和區(qū)的電流值，或者轉(zhuǎn)移特性曲線與縱軸的交點(diǎn)。（不同于IDsat）溝取負(fù)號溝取正號pnVLWtVLCWIVVLCWIIIToxToxnDSSTGSoxnDsatVDsatDSSGS 2022022)(2可見：IDSS與原始溝道導(dǎo)電能力有關(guān)：寬長比、遷移率、原始溝道厚度(VTns)、Cox 717.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流

24、參數(shù)3、截止漏電流4、導(dǎo)通電阻 對于增強(qiáng)型MOSFET，VGS=0時(shí)，源、漏之間為兩背靠背的p-n結(jié)，VDS作用下，VGS=0時(shí)的IDS為截止漏電流。 實(shí)際上是p-n結(jié)的反向漏電流，對Si-p-n結(jié)主要是勢壘產(chǎn)生電流。 工作在非飽和區(qū)的MOSFET，當(dāng)VDSVGS-VT時(shí)，輸出特性是直線（線性區(qū)），溝道的導(dǎo)電能力相當(dāng)于一個(gè)電阻（壓控電阻）。定義：VDS很小時(shí)，VDS與IDS之比為導(dǎo)通電阻，記為Ron.TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 DSononRRRR*727.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)5、柵源直流輸入阻抗RGS6、最大耗

25、散功率PCM柵源直流絕緣電阻。取決于柵氧化層的絕緣電阻值。一般在109以上。MOSFET輸入阻抗遠(yuǎn)高于BJT和JFETDSDSCVIP耗散功率PC將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴蛊骷郎兀阅芰踊?。保證器件正常工作所允許的PC為PCM，或稱最大功耗。MOSFET的耗散功率主要耗散在溝道區(qū)，特別是夾斷區(qū)。737475現(xiàn)象：IDSS很大，超出設(shè)計(jì)要求，夾斷電壓高。原因：襯底材料雜質(zhì)補(bǔ)償嚴(yán)重；柵絕緣層中正離子過多?，F(xiàn)象：夾不斷。還有點(diǎn)漏電。原因：柵極斷裂；局部溝道穿通；p-n結(jié)退化，漏電。現(xiàn)象：漏源穿通，短路。原因：柵氧化層斷裂；擴(kuò)散沾污使漏源短路；光刻針孔 導(dǎo)致漏源經(jīng)鋁柵短路。76現(xiàn)象：跨導(dǎo)小原因：工藝原因造成漏、

26、源串聯(lián)電阻過大； 工藝原因造成表面遷移率嚴(yán)重下降。現(xiàn)象：駝背，過渡區(qū)出現(xiàn)塌陷原因：對版不準(zhǔn)現(xiàn)象：飽和特性不好，飽和區(qū)不夠平坦。原因：襯底材料電阻率太高； 工藝原因?qū)е聹系里@著變短。77現(xiàn)象：低擊穿，擊穿電壓低。原因：擴(kuò)散時(shí)磷沾污，在漏結(jié)處出現(xiàn)合金點(diǎn)； 各種原因?qū)е聹系雷兌?，源漏勢壘穿通?p-n結(jié)劣化，擊穿電壓下降。現(xiàn)象：尾巴原因：源漏電極與源漏擴(kuò)散區(qū)接觸不良，測試探針與 電極接觸不良；源漏區(qū)摻雜濃度低； 使VDS經(jīng)一個(gè)接觸壓降后才起作用。現(xiàn)象： VGS0時(shí)，圖示儀顯示雙線。原因：襯底接地不良。78現(xiàn)象：VGS0的曲線漂移原因：可動離子沾污；磷硅玻璃中磷含量大；現(xiàn)象：柵電流大，柵源短路。原因：

27、柵氧化層針孔；柵氧化層破壞。797.4 MOSFET擊穿特性一、漏源擊穿二、MOSFET的柵擊穿807.4 MOSFET擊穿特性一、漏源擊穿 1、漏源雪崩擊穿n漏-襯底p-n結(jié)雪崩擊穿n溝道雪崩擊穿n雪崩注入現(xiàn)象n雪崩注入現(xiàn)象應(yīng)用柵調(diào)制擊穿漏源擊穿柵擊穿雪崩擊穿勢壘穿通柵調(diào)制溝道雪崩寄生晶體管81柵電極覆蓋情況襯底電阻率和結(jié)深氧化層厚度柵極電壓極性和大小n漏-襯底p-n結(jié)雪崩擊穿 柵調(diào)制擊穿82一、漏源擊穿 1、漏源雪崩擊穿n溝道雪崩擊穿（溝道擊穿） 在夾斷區(qū)，特別是短溝器件中，VDS在溝道方向上建立較強(qiáng)電場，使溝道中載流子通過碰撞電離和雪崩倍增產(chǎn)生大量電子-空穴對。與溝道載流子同型的載流子匯

28、入溝道電流，導(dǎo)致漏極電流劇增而擊穿，相反型號載流子通常被襯底吸收，形成寄生襯底電流的一部分。83n雪崩注入現(xiàn)象（熱載流子效應(yīng)）漏（源）對襯底的擊穿電壓蠕變：時(shí)間約1秒；在處ID越大，轉(zhuǎn)移越快；在處降低VD，再加壓，直接呈現(xiàn) ；在500退火后，重新測試，呈現(xiàn)并轉(zhuǎn)移到 。此現(xiàn)象由雪崩注入引起：即漏結(jié)雪崩過程產(chǎn)生的電子或空穴注入到柵氧化層中，使之帶電。柵氧化層帶電將屏蔽柵電場，使漏極電場減弱。這時(shí)要達(dá)到擊穿臨界場強(qiáng)，必須提高漏極電壓VD，故表現(xiàn)為擊穿電壓增大擊穿電流越大，可能注入的載流子（電荷）越多，漏極擊穿電壓蠕動越快84nSi中電子進(jìn)入SiO2需越過3.15eV的勢壘，越過勢壘的概率為2.810

29、-5nSi中空穴進(jìn)入SiO2需越過3.8eV的勢壘，越過勢壘的概率為4.610-8n電子比空穴更容易注入最終決定注入載流子類型的是柵源之間電場的方向： n溝器件的電場促進(jìn)空穴的注入 p溝器件的電場促進(jìn)電子的注入故p溝MOSFET的雪崩注入現(xiàn)象更為顯著85n雪崩注入現(xiàn)象的應(yīng)用（EPROM）浮置柵雪崩注入MOS器件（FAMOS）Floating gate Avalanche injection MOS迭柵雪崩注入MOS器件（SAMOS）Superposed gate Avalanche injection MOS 多晶硅柵被包在SiO2中，形成浮置柵極。當(dāng)VDS使漏結(jié)雪崩時(shí)，電子注入浮柵，并逐漸使

30、表面反型而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道（寫入）。 在浮柵SiO2上再做一外柵作為控制柵極，浮柵作為存儲柵。雪崩時(shí)，在控制柵上加正電壓可促進(jìn)電子的注入，故可在較低漏壓下使浮柵存儲較多電荷 當(dāng)用紫外光照射或在控制柵上加較大偏壓時(shí)，浮柵電子吸收光子能量或在電場作用下，再次越過勢壘，通過襯底或外柵釋放（擦除）86一、漏源擊穿 2、漏源勢壘穿通短溝器件漏源耐壓的限制因素之一 VDS作用于n+-p-n+之間（n-MOSFET)，對源n+-p結(jié)為正偏，對漏p-n+為反偏。 在短溝道器件中，溝道雜質(zhì)濃度又較低時(shí)，反偏漏p-n+結(jié)空間電荷區(qū)向源端擴(kuò)展至與源n+-p結(jié)空間電荷區(qū)相連時(shí)，發(fā)生漏、源勢壘穿通。 此時(shí)，正偏源結(jié)注入，反

31、偏漏結(jié)收集，電流IDS急劇增大，發(fā)生勢壘穿通下的漏源擊穿。 按單邊突變結(jié)近似，BVDS下耗盡層寬度等于溝道長度時(shí)：022102)2(LqNBVLqNBVxBCDSBCDSm 87一、漏源擊穿 2、漏源勢壘穿通短溝器件漏源耐壓的限制因素之一漏源穿通導(dǎo)電的機(jī)理與雙極晶體管基區(qū)穿通的機(jī)理有相似之處，也有區(qū)別: 對于MOST，從開始穿通再增加VDS時(shí)，由于兩勢壘區(qū)電場、電勢的重新分布，從源到溝道區(qū)的電子的勢壘高度隨之降低，從而導(dǎo)致漏極電流上升。 雙極晶體管從基區(qū)穿通開始增加Vce時(shí)，同樣引起勢壘區(qū)電場、電勢重新分布，從發(fā)射區(qū)到基區(qū)的勢壘高度降低。結(jié)果使集電極電流很快上升。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MOSFET的Vpt

32、的實(shí)測值要比按簡單一維理論的估算值高很多， 簡單一維理論認(rèn)為漏源兩PN結(jié)勢壘連通就是穿通。未穿通前M0ST的源結(jié)或?yàn)榱闫驗(yàn)榉雌ㄈQ于襯底偏置），剛開始穿通時(shí)源到溝道區(qū)的勢壘很高，必須將VDS增加到足夠高才會使勢壘高度降下來，并引起電流急劇增大。 在雙極晶體管中未穿通前的發(fā)射結(jié)是正偏的、穿通時(shí)的勢壘已經(jīng)比較低，只要稍稍增加一點(diǎn)Vce就足以使Ic開始急劇增大，所以一維理論的估算值與實(shí)測是一致的。更為重要的是，在M0ST中要考慮到柵極電位對穿通電壓的作用。 柵極電位低于漏極電位時(shí)，漏區(qū)發(fā)出的場強(qiáng)線的一部分終止在柵電極，改變近表面處漏pn結(jié)勢壘寬度，使之趨向于縮小，因而更不容易穿通。 881.柵調(diào)

33、制擊穿2.溝道雪崩倍增擊穿3.漏源（勢壘）穿通4.寄生NPN晶體管擊穿漏源雪崩擊穿897.4 MOSFET擊穿特性二、MOSFET的柵擊穿n當(dāng)VGS=BVGS時(shí)，柵極下面絕緣層被擊穿n是不可逆擊穿，一般使柵極與襯底短路而使器件失效n理論上，柵氧化膜的擊穿場強(qiáng)為(510)8106V/cm，且隨氧化膜質(zhì)量而下降n擊穿時(shí)，擊穿點(diǎn)電流密度可達(dá)1061010A/cm2，峰值溫度4000Kn由于柵絕緣層有很高的絕緣電阻，柵電容很小，柵氧化層很薄，所以，要特別注意MOS器件的柵保護(hù)問題n測試和使用時(shí)，要十分小心避免靜電，存放時(shí)使各極短路及使用防靜電包裝n在器件設(shè)計(jì)時(shí)，在柵輸入端引入保護(hù)結(jié)構(gòu)907.5 MOS

34、FET頻率特性一、MOSFET的低頻小信號等效電路 1、低頻小信號參數(shù) 2、低頻小信號模型 3、交流小信號等效電路二、MOSFET的高頻特性 1、跨導(dǎo)與頻率的關(guān)系 2、截止頻率fT 3、最高振蕩頻率fM 4、溝道渡越時(shí)間t三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 1、提高遷移率 2、縮短溝道長度 3、減小寄生電容917.5 MOSFET頻率特性一、MOSFET的低頻小信號等效電路 1、低頻小信號參數(shù)+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDnMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）n小信號襯底跨導(dǎo)gmbn小信號漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)VGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VS

35、B0- +cVVGSDSmBSDSVIg ,nMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）n小信號襯底跨導(dǎo)gmbn小信號漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)cVVBSDSmbGSDSVIg ,nMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）n小信號襯底跨導(dǎo)gmbn小信號漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)VBSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cVVDSDSdsBSGSVIg ,nMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）n小信號襯底跨導(dǎo)gmbn小信號漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)VDSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +cIGSDSDSVV nMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）n小信號襯底

36、跨導(dǎo)gmbn小信號漏端電導(dǎo)gdsn電壓放大系數(shù)VGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +92MOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）cVVGSDSmBSDSVIg ,漏極電流微分增量與柵源電壓微分增量之比，表示柵源電壓VGS對漏極電流IDS的控制能力與JFET的跨導(dǎo)有相同的意義21)(2DSDSTGSDSVVVVI DSmVg 器件工作在非飽和區(qū)時(shí)，跨導(dǎo)gm僅隨漏極電壓VDS線性增大)()(2 2TGSmsTGSDsatVVgVVI 在飽和區(qū)中，跨導(dǎo)gms僅隨柵源電壓VGS線性變化實(shí)際MOSFET中的附加串聯(lián)電阻導(dǎo)致跨導(dǎo)的實(shí)際值低于理論值。實(shí)際作用在溝道上的有效

37、柵壓： 實(shí)際起作用的漏源電壓：SDGSGSRIVV)(DSDDSDSRRIVV SmmmsDSdlSmmmRgggRRgRggg 1;)(1*93 兩者溝道導(dǎo)電能力隨柵源電壓變化規(guī)律不同。在JFET中是VGS的平方根與溝道厚度關(guān)系。 兩者VGS的范圍也不同。VDSIDSVGS=0VGS0MOSFETJFETJFET的線性關(guān)系而不同于因DSnGSIQVMOSFET的跨導(dǎo) RLWtCggoxoxmsm、：因子),()( 21)(2DSDSTGSDSVVVVI 非飽和區(qū)跨導(dǎo)與VGS、VDS有關(guān)飽和區(qū)跨導(dǎo)僅與VGS有關(guān)非飽和區(qū)跨導(dǎo)gm僅隨VDS線性增大飽和區(qū)，跨導(dǎo)gms僅隨VGS線性變化欲使94小信號

38、襯底跨導(dǎo)gmbcVVBSDSmbGSDSVIg ,漏極電流微分增量與襯底偏置電壓微分增量之比，表示襯底偏置電壓VBS對漏極電流IDS的控制能力背柵：襯底偏置表面耗盡層厚度空間電荷面密度反型層 電荷密度溝道導(dǎo)電能力計(jì)及空間電荷（耗盡層）影響的I-V方程為：)2()2(3221)2(23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 與空間電荷有關(guān)項(xiàng)BSV BSV )2()2(221210BSFBSFDSAnmbVVVLqNWg VDS構(gòu)成V(y)VBS構(gòu)成反偏按p-n結(jié)電壓-電荷規(guī)律95半導(dǎo)體器件物理與工藝美施敏p223)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQV

39、yVVCyQyQyQ 21)(2DSDSTGSoxnDSVVVVLCWI理想結(jié)構(gòu)中忽略或歸入VT關(guān)于表面（場感應(yīng)結(jié)）耗盡層電荷關(guān)于表面勢Vs和2倍費(fèi)米勢)2()2(3221)2(23232FFDSDSDSFGSDSVVVVI 2)(22)()(2)(2)()()()(00maxmaxFAFGSoxnFAdABBsnyVqNyVVCyQyVqNxqNyQyQyQyQ -VFB-VFBBSV BSV BSV BSV 半導(dǎo)體表面電勢和其特征值的關(guān)系96msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2)(221210 從VT通式（7-22）(y)帶入dydVyVVVCWyIITGS

40、oxnnDS)()( （7-52）dyydVVyVqNCyVVVCWIBSFAoxFFBGSoxnDS)()(2(21)(2210 從y=0,V(0)=0到y(tǒng)=L,V(L)=VDS積分，可得)2()2()2(3221)2(23232102BSFBSFDSoxADSDSFFBGSDSVVVCqNVVVVI 9769)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSF

41、BSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVVCqNVVCqNVVVQBmax11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI張屏英晶體管原理P2579869)-(7 )2()2(3221)2(23232BSFBSFDSDSDSFFBGSDSVVVVVVVI )2(23)2()2()2(3221)()2(23)2()2()2(3221)2(2)2(21232321022123232102210DSFBSFDSBSFoxADSDSTGSDSFBSFDSBSFoxADSDSoxFADSFFBGSVVVVCqNVVVVVVVV

42、CqNVVCqNVVVQBmax 第一項(xiàng)與（7-54）相同，表示柵絕緣層電容控制的表面場效應(yīng)晶體管的電特性 第二項(xiàng)與（6-11）相似，表示溝道壓降和襯底反偏作用下，場感應(yīng)結(jié)非平衡，耗盡層寬度隨之變化的電特性，即JFET特性11)-(6 )()(232232300GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGI 其中，2FVD;VBSVGS 可看作理想MOS與JFET的并聯(lián)99小信號漏端電導(dǎo)gdscVVDSDSdsBSGSVIg ,漏極電流微分增量與漏源電壓微分增量之比，表示漏源電壓VDS對漏極電流IDS的控制能力)(21)(2DSTGSdsDSDSTGSDSVVVgVVVVI 得由 gds隨VD

43、S增大而線性減小，即由非飽和區(qū)向飽和區(qū)，IDS隨VDS的變化趨緩，以至進(jìn)入飽和區(qū)不再隨VDS變化 在線性區(qū)，VDS很小，忽略后msTGSdsldsgVVgg)( 且正是導(dǎo)通電阻的倒數(shù)。TGSnoxTGSDSDSonVVWLtVVIVR1)(10 100電壓放大系數(shù)cIGSDSDSVV 漏源電壓微分增量與柵源電壓微分增量之比，表示漏極電流IDS不變，漏源電壓VDS與柵源電壓VGS之間的相對變化關(guān)系dsmDSTGSDSDSDSTGSDSggVVVVVVVVI 零，得取全微分，并令其等于由21)(20221 dsDSTGSoxnDsatgVVVLWCI無關(guān)，得與由)(動態(tài)電阻無窮大，但實(shí)際MOSFE

44、T的動態(tài)電阻都是有限值，因?yàn)椋?、溝道長度調(diào)制效應(yīng) 2、漏區(qū)電場的靜電反饋效應(yīng)在飽和區(qū)101溝道長度調(diào)制效應(yīng)VDSVDsat后，夾斷點(diǎn)向源端移動，形成夾斷區(qū)，使溝道有效長度縮短21)(2TGSoxnDsatVVLWCI L減小，則IDsat增大，說明溝道長度減小，電阻減小。DSDsatDSDsatDsatDsatTGSeffoxnDsateffdVLdLLLIdVdIgLLIVVLWCILLL)()1 ()1 ()(22*121* 帶入，得以為有限值102漏區(qū)電場的靜電反饋效應(yīng)發(fā)自漏區(qū)的電力線有部分終止在溝道載流子電荷上，導(dǎo)致隨漏源電壓增大，溝道電子密度增大，溝道電導(dǎo)增大，漏源電流不完全飽和。

45、 溝道較短，襯底濃度較低時(shí)，漏-襯結(jié)和溝-襯結(jié)的耗盡層隨VDS很快擴(kuò)展，103一、MOSFET的低頻小信號等效電路 2、低頻小信號模型DSdBSmbGSmDSCVVDSDSBSCVVBSDSGSCVVGSDSDSVgVgVgVVIVVIVVIIBSGSDSGSBSDS )()()(,00 BSGSII SDGBgdDSI GSV BSV DSV GSmVg BSmbVg 104一、MOSFET的低頻小信號等效電路 3、交流小信號等效電路GSDBgsCgsCgdCgdCbsCbdCTCC本征部分MOSFET小信號參數(shù)物理模型SGD0Ly溝道SiO2襯底MOSFET的R、C分布參數(shù)模型105DSd

46、GSmDSDSdBSmbGSmDSdVgdVgdIVgVgVgI 襯底偏置不變 dsdgsmdugugi dDSDSidII dtduCdtduCigdgdgsgsg SGDgdCgdCgsCgsRgsCSRDRdsCgsmg dgMOSFET小信號參數(shù)等效電路dtduCugugigdgddsdgsmd 1、柵極電位變化引起溝道電導(dǎo)變化形成交變漏極電流2、輸出交變電壓在漏導(dǎo)上形成電流3、柵極電壓變化對柵漏電容充放電電流106SGDgdCgsC1SR2DRgdCgsCgsRgsmg dgB1SR1gR4gR2gR3gR1DR1bR4bR2bR3bRgbCbsCdsCTCCTCCbdC較完整的MO

47、SFET小信號等效電路Cgs柵源之間分布電容的等效電容Cgd等效的柵漏電容Rgs對柵源電容充放電的等效溝道串聯(lián)電阻(2/5Ron)Rs、Rd源、漏區(qū)串聯(lián)電阻CVGSchgsDSVQC CVGDchgdGSVQC CVVGSIgsGSDSVQC JFET107與JFET比較：（估算）飽和區(qū)線性區(qū)中g(shù)dgsgdgscVDSIgdcVVGSIgsCCCCCCVQCVQCggGSGSDS2121JFET0;3221;MOSFETgdGgsGgdGgscVDSchgdcVGSchgsCCCCCCCVQCVQCGSDS飽和區(qū)線性區(qū)中1、Cgd定義相同，在線性區(qū)各為CG(Cg)的一半2、Cgs定義不同，JF

48、ET為CG的一半；MOSFET為CG3、飽和區(qū)MOSFET：Cgs占大半，Cgd0oxGWLCC QI、Qch之與Cgs1087.5 MOSFET頻率特性二、MOSFET的高頻特性 1、跨導(dǎo)與頻率的關(guān)系 2、截止頻率fT 3、最高振蕩頻率fM 4、溝道渡越時(shí)間tCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-等效電路輸出特性及負(fù)載線0 gdC飽和區(qū)輸入輸出+VDDRARBRLMOST線性放大器基本電路109dsLdsLgmsogsgssgsgsgssgrRrRuguCRjuCjRCjuu 111gsuu 低頻時(shí)dsLdsLmssorRrRguu 低頻低頻電壓放大系數(shù))(msLsoLds

49、gRuuRr 低頻時(shí)，當(dāng))(飽和狀態(tài)，溝道夾斷，溝道電阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-110高頻時(shí)mgmsgsgsmsmsdsLdsLmsdsLdsLgsgsmssojgCRjggrRrRgrRrRCRjguu 11)()(1)(其中高頻高頻下飽和區(qū)跨導(dǎo)msmsggsgsgggCRmm21)(,1 時(shí)，當(dāng)被稱為跨導(dǎo)截止角頻率mg 21)(也下降為低頻值高頻souu的結(jié)果實(shí)際起作用的柵壓變化高頻分壓比的變化導(dǎo)致、也是的，充放電的延遲時(shí)間產(chǎn)生通過等效溝道電阻實(shí)際上是柵源電容gsgsgsgsgCRRCm 21)(41532)(1521LVVCVVCRTGSnGTGSgs

50、gsgm oxGWLCC LCWoxn 1112、截止頻率fTCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-gdCgsCdsCigid計(jì)算fT的等效電路（3個(gè)電容）定義：當(dāng)輸入電流ig與交流短路輸出電流id相等時(shí)對應(yīng)的頻率，記為fT. 輸入回路中，Cgs的容抗隨f的上升而減小，使ig上升，同時(shí)ug下降，gmug也下降。11gdsgsgssmsdgdgsgsgsgssgCjuCRjugiCjCRjCjCjui 21gdgsgsmsTCCCgf 取了一級近似11221gdgsgsmsTCCCgf 2)(432 LVVCgfCCCTGSngsmsTgdgsgs 時(shí)，、當(dāng)LWCVVgWLCC

51、CoxnTGSmsoxGgs )(32322)(415LVVTGSngm 同，但本質(zhì)相同。不同，因?yàn)槎x標(biāo)準(zhǔn)不相比，內(nèi)容相同，系數(shù)與gm跨導(dǎo)（截止角頻率）從電壓對電流的關(guān)系（電壓放大系數(shù)）定義標(biāo)準(zhǔn)截止頻率從電流對電流的關(guān)系定義標(biāo)準(zhǔn)，要計(jì)入3個(gè)電容但是，它們都是Cgs上電壓ug隨頻率的變化關(guān)系的反映，僅角度不同。113寄生參數(shù)的影響：3個(gè)電容gsC并聯(lián)在輸入端，對Cgs起分流作用，幫助Cgs增大igdsC并聯(lián)在輸出端，對輸出電流起分流作用，gmsug的一部分流過該電容，使id減小數(shù)為放大器的電壓放大系其中soVuuA gdC連接在輸入、輸出端之間，使輸入電容為)1 (gdVgsgsinCACCC

52、 密勒效應(yīng)11, 0; 000 VVosVoLAAuuAuR故反相，與由于，實(shí)際放大器中)1 (1gdVsgsgssmsdCAjuCRjugi 此時(shí))1 (21gdVgsgsmsTCACCgf 1143、最高振蕩頻率fMCgsRgsRL=rdsrdsgmsug+-usug+-計(jì)算fM的等效電路igidid/2 當(dāng)功率增益Kp=1時(shí)對應(yīng)的頻率為最高振蕩頻率fM 當(dāng)輸入、輸出端均共軛匹配，且認(rèn)為反饋電容 時(shí)，有最大功率增益。0gdCgsdsgsmsioPdsgsgmsLgmsLdogsgiRrCgPPKrCigRugRiPRiP 222222241)(41)2()2( 輸出功率輸入功率ug115g

53、sdsgsmsioPRrCgPPK 22241 可見，隨頻率上升，KP下降。當(dāng)KP=1時(shí)，對應(yīng)的定義為最高振蕩頻率)2(MMf gsdsgsmsMRrCgf 41Cgs：減小，容抗上升，ug增大，使有效輸入功率增大gms：增大，同樣輸入條件下，輸出電流增大rds：增大，提高負(fù)載電阻（輸出阻抗），同樣電流下，功率提高Rgs：減小，提高ug，提高輸入效率1164、溝道渡越時(shí)間t指載流子從源擴(kuò)散區(qū)到達(dá)漏擴(kuò)散區(qū)所需時(shí)間。溝道中各處電場不同 LdydVdyddydVdyd0 t tt t t t)(2)()()()(maxTGSoxoxBFBFGSoxBsnVyVVCCQVyVVCyQyQyQ 忽略了Q

54、Bmax隨y的變化dyydVVyVVWCIdyydVyWQyITGSoxnDSnnn)()()()()( 常數(shù)，電流連續(xù)性）11721212121)1 (21)()1 (1)()()(,; 0)0(, 0)(21)()()()(LyVVLdyydVLyVVyVVVVVLVLyVycycyVyVVVcdyydVVyVVTGSTGSTGSDSDSTGSTGS 時(shí)得：邊界條件：積分得)(34)1 ()(220210TGSnLTGSnLVVLdyLyVVLdydVdyd t tt tt t t t 25 Tgm1187.5 MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 1、提高遷移率 2、縮

55、短溝道長度 3、減小寄生電容2)(415LVVTGSngm t t t t 25 Tgm)1 (21gdVgsgsmsTCACCgf 2)(432 LVVCgfTGSngsmsT1197.5 MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 1、提高遷移率改進(jìn)工藝：MOST的表面遷移率與SiO2-Si界面及其附近的帶電中心、缺陷以及界面平整度密切相關(guān)，若采用合理的工藝，以獲得低界面電荷、高平整度的優(yōu)質(zhì)柵氧化層，將會使表面遷移率大為提高。采用高遷移率材料：最有希望的材料是InP和GaAs。InP薄膜中的電子場效應(yīng)遷移率的實(shí)測值高達(dá)7350cm2Vs。GaAs帶隙寬，其電子遷移率也很高，然而

56、其相當(dāng)高的界面態(tài)電荷密度又使其應(yīng)用受到限制。利用Si3N4 膜做柵絕緣層可大大降低界面態(tài)密度。盡可能采用n溝MOSFET結(jié)構(gòu)，np1207.5 MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 1、提高遷移率采用埋溝結(jié)構(gòu)：利用體內(nèi)遷移率高于表面遷移率的特點(diǎn)，將導(dǎo)電溝道從表面移至體內(nèi)。 導(dǎo)電溝道層用外延或離子注入法形成。MOST工作時(shí)，柵壓使溝道最表面耗盡(甚至反型)。柵壓變化時(shí)表面耗盡層寬度改變，導(dǎo)電溝道截面隨之變化，從而調(diào)制漏極電流。可見，埋溝MOST的工作原理與JFET 或MESFET十分相似。埋溝器件一般工作于耗盡模式，但也可工作于增強(qiáng)模式。 1217.5 MOSFET頻率特性三、

57、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 2、縮短溝道長度Lateral Double Diffused MOSFETV-Groove MOSFET先后進(jìn)行p及n+擴(kuò)散，L取決于兩次擴(kuò)散結(jié)深之差輕摻雜漂移區(qū)有利于提高漏極耐壓1227.5 MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 3、減小寄生電容123與雙極器件相比： MOSFET為多子器件，因其溝道遷移率隨溫度上升而下降，在大電流下溝道電流具有負(fù)的溫度系數(shù)。這種電流隨溫度上升而下降的負(fù)反饋效應(yīng)使MOS器件不存在電流集中和二次擊穿的限制問題。 在小信號下，MOS器件的輸出電流id與輸入電壓ug呈線性關(guān)系，而雙極型器件電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系變化

58、。故其可在足夠?qū)挼碾娏鞣秶鷥?nèi)用作線性放大器。 MOS器件輸入阻抗高，作功率開關(guān)時(shí)需要的驅(qū)動電流小，轉(zhuǎn)換速度快；作功率放大時(shí)增益大且穩(wěn)定性好。 MOSFET的不足之處在于飽和壓降及導(dǎo)通電阻都較雙極器件大。解決這方面的問題將是發(fā)展MOSFET的努力方向。 7.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)1247.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MOSFET的功率特性 1、MOSFET的高頻功率增益 2、輸出功率和耗散功率 3、MOSFET的安全工作區(qū)(SOA)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu)三、功率MOS器件的導(dǎo)通電阻1257.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MOSF

59、ET的功率特性 1、MOSFET的高頻功率增益 2、輸出功率和耗散功率 3、MOSFET的安全工作區(qū)(SOA)1267.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MOSFET的功率特性 1、MOSFET的高頻功率增益gsgssgssiRCjRRuP2)1( 輸入功率：LgsmLooRugRiP22)21( 輸出功率：2222)(414 TdsgsgsgsLmiopmgRRCRgppk CgsRgsRL=rdsrdsgmsug+-usug+-計(jì)算fM的等效電路igidid/2 當(dāng)輸入、輸出端均共軛匹配，且認(rèn)為反饋電容 時(shí)，有最大功率增益。0 gdC計(jì)入了源極串聯(lián)電阻Rs但僅考慮Rgs上的

60、輸入功率，故Kpm與Rs無關(guān)1277.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MOSFET的功率特性 2、輸出功率和耗散功率MOSFET在甲類狀態(tài)下運(yùn)用時(shí)，輸出電壓的最大擺幅值為電流的最大擺幅值為)(21DsatDSVBV DsatI21)(81DsatDSDsatOMVBVIP 最大輸出功率為：TAjmCMRTTP 最大耗散功率為：1287.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MOSFET的功率特性 3、MOSFET的安全工作區(qū)（SOA）不存在局部電流集中問題由： 最大漏極電流 漏源擊穿電壓 最大功耗線組成MOSFET的安全工作區(qū)大于雙極型器件的安全工作區(qū)1297.6