第七章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管-課件

1、微電子器件原理第七章 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管1第七章 MOS場(chǎng)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、

2、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)77.1 MOSFET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(chǎng)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(huì)在D、S間形成電流。 當(dāng)柵極加有電壓0VGSVT時(shí)，通過(guò)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(dòng)，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

3、MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基本工作原理柵源電壓對(duì)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(duì)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

4、(ND)通過(guò)費(fèi)米勢(shì)（以及功函數(shù)）影響VT每2個(gè)數(shù)量級(jí)約0.1V(eV)影響不大真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En347.2 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(guò)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層空間電荷影響VT體效應(yīng)系數(shù)3536襯底雜質(zhì)濃度越大，其變化對(duì)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(guò)NA(ND) 影響QBmax，從而改變VT即不同的 NA下，VBS對(duì)VT的影響也不同381.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差

5、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襯底雜質(zhì)濃度N可以通過(guò)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(lái)調(diào)整VTNs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(jí)）。束縛電子帶負(fù)電荷，俘獲空穴則帶正電荷

6、。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，應(yīng)盡量降低其密度41固定氧化物電荷可動(dòng)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(guò)剩硅離子及氧空位特點(diǎn)：固定正電荷，不隨表面勢(shì)或能帶彎曲程度而變化 與硅摻雜濃度及類型無(wú)關(guān)，與SiO2膜厚度無(wú)關(guān) 與生長(zhǎng)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(dòng)，溫度和電場(chǎng)作用可使之移動(dòng)。X-射線、射線、高能/低能電子束等照射SiO2

7、膜時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，若同時(shí)存在電場(chǎng)，則電場(chǎng)使電子-空穴分離，正柵壓的電場(chǎng)使部分電子移向柵極并泄放，多余空穴在未被硅側(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(duì)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(duì)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(duì)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。44

8、當(dāng)Qox1012cm-2時(shí)，即使NA1017cm-3，仍有VT0當(dāng)NA1015cm-3時(shí)， VT隨NA上升明顯，且逐漸由負(fù)變正隨Qox增大，轉(zhuǎn)變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NA增大 所以，欲獲得增強(qiáng)型(VT0)，可以提高襯底濃度NA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(shì)達(dá)到2倍費(fèi)米勢(shì)，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4647MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面電荷密度與表面勢(shì)的關(guān)系4849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

9、反型區(qū)過(guò)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Vs=2F進(jìn)入強(qiáng)反型，才不會(huì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)，不能保證屏蔽作用。50517.3 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

10、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BCoxGVFB5354假設(shè)：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反型層中載流子的遷移率n為常數(shù)溝道電流為漂移電流溝道與襯底之間的反向泄漏電流為零跨過(guò)氧化層而保持反型層電荷的沿 x 方向的電場(chǎng)分量Ex與溝道中使載流子沿溝道長(zhǎng)度y方向運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)分量Ey無(wú)關(guān)，且 即滿足緩變溝道近似溝道電場(chǎng)y方向變化很小Y方向電場(chǎng)也很小55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)溝道電流ID沿溝道y方向產(chǎn)生壓降V(y)，此時(shí)表面勢(shì)MOS結(jié)構(gòu)強(qiáng)反型所需柵壓其中故表面開始（已經(jīng)

11、）強(qiáng)反型時(shí)BCoxGVFB56此時(shí)，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層中（電離受主）電荷面密度p-n結(jié)外加電壓p-n結(jié)接觸電勢(shì)差則說(shuō)明強(qiáng)反型后，多余的VGS用于Qn(y)由歐姆定律57n溝MOSFET基本I-V方程58 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：59VDSIDSVGSVGS IDsatVGS-VTIDsat非飽和區(qū) 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， 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 此時(shí)，溝道漏

12、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 溝道夾斷在y=L點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的VDS=VGS-VT，稱為飽和漏源電壓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(dòng)，夾斷點(diǎn)與溝道漏端之間形成夾斷區(qū) 增加的漏源電壓降落在夾斷區(qū)上，夾斷區(qū)電場(chǎng)增大，緩變溝道近似不再成立6061關(guān)于絕緣層中的電場(chǎng)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

13、為VT， Eox由柵極指向溝道區(qū)在夾斷點(diǎn)漏端側(cè)某處V(y)=VGS，Vox=0， Eox=0對(duì)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(jiàn)p27162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(chǎng)強(qiáng)Ex密切相關(guān)關(guān)于溝道中載流子遷移率637.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線二、MOSFET的特性曲線1、輸出特性曲線非飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)輸

14、出特性曲線描繪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(méi)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64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(duì)應(yīng)曲線的溝道導(dǎo)電狀況相同）襯底偏置（背柵）的作用65均以

15、源極為參考電位時(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)電能力減小計(jì)算電流-電壓方程時(shí)僅考慮了V(y)的作用，未計(jì)入VBS667.3 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(duì)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MOSFET67耗盡型增強(qiáng)型P溝n溝P溝n溝電路符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性687.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)1、

16、閾值電壓VT對(duì)耗盡型器件，又稱夾斷電壓；對(duì)增強(qiáng)型器件，又稱開啟電壓它是通過(guò)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(shì)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倍費(fèi)米勢(shì)697.3 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(duì)于耗盡型MOSFET，VGS=0時(shí)已有導(dǎo)電溝道。IDSS對(duì)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）可見(jiàn)：IDSS與原始溝道導(dǎo)電能力有關(guān)：寬長(zhǎng)比、遷移率、原始溝道厚度(VTns)、Cox

17、707.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)3、截止漏電流4、導(dǎo)通電阻 對(duì)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(duì)Si-p-n結(jié)主要是勢(shì)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.717.3 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、最大耗散功率PCM

18、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JFET耗散功率PC將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴蛊骷郎?，性能劣化。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)。727374現(xiàn)象：IDSS很大，超出設(shè)計(jì)要求，夾短電壓高。原因：襯底材料雜質(zhì)補(bǔ)償嚴(yán)重；柵絕緣層中正離子過(guò)多。現(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。75現(xiàn)象：跨導(dǎo)小原因：工藝原因造成漏、源串聯(lián)電阻過(guò)大； 工藝原因造

19、成表面遷移率嚴(yán)重下降。現(xiàn)象：駝背，過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)塌陷原因：對(duì)版不準(zhǔn)現(xiàn)象：飽和特性不好，飽和區(qū)不夠平坦。原因：襯底材料電阻率太低； 工藝原因?qū)е聹系里@著變短。76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聹系雷兌蹋绰﹦?shì)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(cè)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?，F(xiàn)象： VGS0時(shí)，圖示儀顯示雙線。原因：襯底接地不良。77現(xiàn)象：VGS0的曲線漂移原因：可動(dòng)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：柵氧化層針孔；柵氧化層破壞。

20、787.4 MOSFET擊穿特性一、漏源擊穿二、MOSFET的柵擊穿797.4 MOSFET擊穿特性一、漏源擊穿 1、漏源雪崩擊穿漏-襯底p-n結(jié)雪崩擊穿溝道雪崩擊穿雪崩注入現(xiàn)象雪崩注入現(xiàn)象應(yīng)用柵調(diào)制擊穿漏源擊穿柵擊穿雪崩擊穿勢(shì)壘穿通柵調(diào)制溝道雪崩寄生晶體管80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漏-襯底p-n結(jié)雪崩擊穿柵調(diào)制擊穿81一、漏源擊穿 1、漏源雪崩擊穿溝道雪崩擊穿（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(chǎng)，使溝道中載流子通過(guò)碰撞電離和雪崩倍增產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)。與溝道載流子同型的載流子匯入溝道電流，導(dǎo)致漏極電流劇增而擊穿，相反型

21、號(hào)載流子通常被襯底吸收，形成寄生襯底電流的一部分。82雪崩注入現(xiàn)象（熱載流子效應(yīng)）漏（源）對(duì)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(cè)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(guò)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(chǎng)，使漏極電場(chǎng)減弱。這時(shí)要達(dá)到擊穿臨界場(chǎng)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(dòng)越快83Si中電子進(jìn)入SiO2需越過(guò)3.15eV的勢(shì)壘，越過(guò)勢(shì)壘的概率為2.810-5Si中空穴進(jìn)入SiO2需越過(guò)3.8eV的勢(shì)

22、壘，越過(guò)勢(shì)壘的概率為4.610-8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(chǎng)的方向： n溝器件的電場(chǎng)促進(jìn)空穴的注入 p溝器件的電場(chǎng)促進(jìn)電子的注入故p溝MOSFET的雪崩注入現(xiàn)象更為顯著84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，并逐漸使表面反型而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道（寫入）。 在浮柵SiO2上再

23、做一外柵作為控制柵極，浮柵作為存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)作用下，再次越過(guò)勢(shì)壘，通過(guò)襯底或外柵釋放（擦除）85一、漏源擊穿 2、漏源勢(shì)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(duì)源n+-p結(jié)為正偏，對(duì)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(shì)壘穿通。 此時(shí)，正偏源結(jié)注入，反偏漏結(jié)收集，電流IDS急劇增大，發(fā)生勢(shì)壘穿通下的漏源

24、擊穿。 按單邊突變結(jié)近似，BVDS下耗盡層寬度等于溝道長(zhǎng)度時(shí)：86一、漏源擊穿 2、漏源勢(shì)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(duì)于MOST，從開始穿通再增加VDS時(shí)，由于兩勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)、電勢(shì)的重新分布，從源到溝道區(qū)的電子的勢(shì)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(shì)壘區(qū)電場(chǎng)、電勢(shì)重新分布，從發(fā)射區(qū)到基區(qū)的勢(shì)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的實(shí)測(cè)值要比按簡(jiǎn)單一維理論的估算值高很多， 簡(jiǎn)單一維理論認(rèn)為漏源兩PN結(jié)勢(shì)壘連通就是穿通。未穿通前M0ST的源結(jié)

25、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(shì)壘很高必須將VDS增加到足夠高才會(huì)使勢(shì)壘高度降下來(lái)，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(shì)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(cè)是一致的。更為重要的是，在M0ST中要考慮到柵極電位對(duì)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(chǎng)強(qiáng)線的一部分終止在柵電極，改變近表面處漏pn結(jié)勢(shì)壘寬度，使之趨向于縮小，因而更不容易穿通。 871.柵調(diào)制擊穿2.溝道雪崩倍增擊穿3.漏源（勢(shì)壘）穿通4.寄生NPN晶體管擊穿漏源雪崩擊穿887.4 MOSFET擊穿特性二

26、、MOSFET的柵擊穿當(dāng)VGS=BVGS時(shí)，柵極下面絕緣層被擊穿是不可逆擊穿，一般使柵極與襯底短路而使器件失效理論上，柵氧化膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為(510)8106V/cm，且隨氧化膜質(zhì)量而下降擊穿時(shí)，擊穿點(diǎn)電流密度可達(dá)1061010A/cm2，峰值溫度4000K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(wèn)題測(cè)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在器件設(shè)計(jì)時(shí)，在柵輸入端引入保護(hù)結(jié)構(gòu)897.5 MOSFET頻率特性一、MOSFET的低頻小信號(hào)等效電路 1、低頻小信號(hào)參數(shù) 2、低頻小信號(hào)模型 3、交流小信號(hào)等效電路二、MOSFET

27、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(zhǎng)度 3、減小寄生電容907.5 MOSFET頻率特性一、MOSFET的低頻小信號(hào)等效電路 1、低頻小信號(hào)參數(shù)+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmb小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds電壓放大系數(shù)mVGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +MOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmb小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds電壓放大系數(shù)mMOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）小信號(hào)襯

28、底跨導(dǎo)gmb小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds電壓放大系數(shù)mVBSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +MOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmb小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds電壓放大系數(shù)mVDSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +MOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmb小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds電壓放大系數(shù)mVGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +91MOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）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(duì)漏極電流IDS的控制能力與JFET的跨導(dǎo)有相同的意義器件工作在非

29、飽和區(qū)時(shí)，跨導(dǎo)gm僅隨漏極電壓VDS線性增大在飽和區(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柵壓： 實(shí)際起作用的漏源電壓：92 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=0VGS0MOSFETJFETMOSFET的跨導(dǎo)JFETMOSFET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93小信號(hào)襯底跨導(dǎo)gmb漏極電流微分增量與襯底偏置電壓微分增量

30、之比，表示襯底偏置電壓VBS對(duì)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：與空間電荷有關(guān)項(xiàng)VDS構(gòu)成V(y)VBS構(gòu)成反偏按p-n結(jié)電壓-電荷規(guī)律94半導(dǎo)體器件物理與工藝美施敏p223b理想結(jié)構(gòu)中忽略或歸入VT關(guān)于表面（場(chǎng)感應(yīng)結(jié)）耗盡層電荷關(guān)于表面勢(shì)Vs和2倍費(fèi)米勢(shì)-VFB-VFB半導(dǎo)體表面電勢(shì)和其特征值的關(guān)系95從VT通式（7-22）(y)帶入（7-52）從y=0,V(0)=0到y(tǒng)=L,V(L)=VDS積分，可得96QBmax張屏英晶體管原理P25797QBmax第一項(xiàng)與（7-54）相同，表示柵絕緣層

31、電容控制的表面場(chǎng)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(chǎng)感應(yīng)結(jié)非平衡，耗盡層寬度隨之變化的電特性，即JFET特性其中，2FVD;VBSVGS可看作理想MOS與JFET的并聯(lián)98小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds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(duì)漏極電流IDS的控制能力 gds隨VDS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，忽略后且正是導(dǎo)通電阻的倒數(shù)。99電壓放大系數(shù)m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(duì)

32、變化關(guān)系動(dòng)態(tài)電阻無(wú)窮大，但實(shí)際MOSFET的動(dòng)態(tài)電阻都是有限值，因?yàn)椋?、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 2、漏區(qū)電場(chǎng)的靜電反饋效應(yīng)在飽和區(qū)100溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDSVDsat后，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)，形成夾斷區(qū)，使溝道有效長(zhǎng)度縮短L減小，則IDsat增大，說(shuō)明溝道長(zhǎng)度減小，電阻減小。為有限值101漏區(qū)電場(chǎng)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。 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，102一、MOSFET的低頻小信號(hào)等效電路 2、低頻小信號(hào)模型SDGBgd103一、MOSFET的低頻小

33、信號(hào)等效電路 3、交流小信號(hào)等效電路GSDB本征部分MOSFET小信號(hào)參數(shù)物理模型SGD0Ly溝道SiO2襯底MOSFET的R、C分布參數(shù)模型104SGDMOSFET小信號(hào)參數(shù)等效電路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(duì)柵漏電容充放電電流105SGDB較完整的MOSFET小信號(hào)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(duì)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JFET106與JFET比較：1、Cgd定義相同，在線性區(qū)各為CG(Cg)的一半2、Cgs定義不同，JFET為CG的一

34、半；MOSFET為CG3、飽和區(qū)MOSFET：Cgs占大半，Cgd0QI、Qch之與Cgs1077.5 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)載線輸入輸出+VDDRARBRLMOST線性放大器基本電路108飽和，溝道夾斷，溝道電阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-109高頻時(shí)高頻下飽和區(qū)跨導(dǎo)1102、截止頻率fTCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-igid計(jì)算fT的等效電路（3個(gè)電容）

35、定義：當(dāng)輸入電流ig與交流短路輸出電流id相等時(shí)對(duì)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。取了一級(jí)近似111跨導(dǎo)（截止角頻率）從電壓對(duì)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(duì)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。112寄生參數(shù)的影響：3個(gè)電容并聯(lián)在輸入端，對(duì)Cgs起分流作用，幫助Cgs增大ig并聯(lián)在輸出端，對(duì)輸出電流起分流作用，gmsug的一部分流過(guò)該電容，使id減小連接在輸入、輸出端之間，使輸入電容為密勒效應(yīng)1133、最高振蕩頻率fMCgsRgsRL=rd

36、srdsgmsug+-usug+-計(jì)算fM的等效電路igidid/2 當(dāng)功率增益Kp=1時(shí)對(duì)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。ug114 可見(jiàn)，隨頻率上升，KP下降。當(dāng)KP=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的定義為最高振蕩頻率Cgs：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1154、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(chǎng)不同忽略了QBmax隨y的變化1161177.5 MOSFET頻率特性三

37、、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 1、提高遷移率 2、縮短溝道長(zhǎng)度 3、減小寄生電容1187.5 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(huì)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(chǎng)效應(yīng)遷移率的實(shí)測(cè)值高達(dá)7350cm2Vs。GaAs帶隙寬，其電子遷移率也很高，然而其相當(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。

38、盡可能采用n溝MOSFET結(jié)構(gòu)，mnmp1197.5 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?？梢?jiàn)，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。 1207.5 MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑 2、縮短溝道長(zhǎng)度Lateral Double Diffus

39、ed 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1217.5 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122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(wèn)題。 在小信號(hào)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。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(dòng)電流

40、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(wèn)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)1237.6 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

41、作區(qū)(SOA)1257.6 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。計(jì)入了源極串聯(lián)電阻Rs但僅考慮Rgs上的輸入功率，故Kpm與Rs無(wú)關(guān)1267.6 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1277.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MOSFET

42、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(wèn)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)1287.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 1、兩維橫向結(jié)構(gòu)偏置柵MOS結(jié)構(gòu)橫向DMOSFET (LD-MOSFET) 2、三維結(jié)構(gòu)垂直漏網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)垂直漏極V-MOST （VV-MOST或簡(jiǎn)稱V-MOS）垂直漏UMOS（VUMOS）1297.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 1、兩維橫向結(jié)構(gòu)偏置柵MOS結(jié)構(gòu)延伸漏區(qū)防止漏源穿通，提高漏壓場(chǎng)板結(jié)構(gòu)改善柵邊緣

43、電場(chǎng)集中,進(jìn)一步改善擊穿特性引入了附加串聯(lián)電阻，增加功耗1307.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 1、兩維橫向結(jié)構(gòu)橫向DMOSFET (LD-MOSFET)兩次擴(kuò)散控制形成小的溝道長(zhǎng)度延伸漏區(qū)可提高漏壓1317.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 2、三維結(jié)構(gòu)垂直漏網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)p+襯底n-外延層p+p+p+p+漏極源極n+n+p多晶硅P+擴(kuò)散形成垂直漏極雙層金屬化電極結(jié)構(gòu)P區(qū)為延伸漏區(qū)n+區(qū)使源與襯底短接網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)增大器件寬長(zhǎng)比1327.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 2、三維結(jié)構(gòu)垂

44、直漏網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)兩次擴(kuò)散控制形成小的溝道長(zhǎng)度, W/L更大n+p-與源極鋁形成源襯短接n-外延層為延伸漏區(qū)1337.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 2、三維結(jié)構(gòu)垂直漏極V-MOST （VV-MOST或簡(jiǎn)稱V-MOS）垂直結(jié)構(gòu)有利于多單元并聯(lián)兩溝道并聯(lián)可增大電流容量?jī)纱螖U(kuò)散控制形成小的溝道長(zhǎng)度腐蝕V形槽穿過(guò)擴(kuò)散層到n-區(qū)自停止n-延伸漏區(qū)可提高漏壓,減小Cgd1347.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率MOSFET結(jié)構(gòu) 2、三維結(jié)構(gòu)垂直漏UMOS（VUMOS）垂直結(jié)構(gòu)有利于多單元并聯(lián)兩溝道并聯(lián)可增大電流容量?jī)纱螖U(kuò)散控制形成小的溝道長(zhǎng)度U形平

45、底結(jié)構(gòu)使n-漂移區(qū)(延伸漏區(qū))中電流更好地展開,有更低的導(dǎo)通電阻n-延伸漏區(qū)可提高漏壓,減小Cgd1357.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)三、功率MOS器件的導(dǎo)通電阻 功率器件中，延伸漏區(qū)(低摻雜漂移區(qū))引入較大的漏極串聯(lián)電阻，在提高漏壓的同時(shí)影響器件的功率輸出。 盡量減小串聯(lián)電阻是衡量各種器件結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要標(biāo)志。1367.7 MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用二、電容的影響三、開關(guān)時(shí)間1377.7 MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用開關(guān)作用倒相作用延遲時(shí)間開關(guān)時(shí)間 開關(guān)特性1387.7 MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用增強(qiáng)型PMOS管柵漏短接，工作在飽和區(qū)1397.7 MOSFE

46、T開關(guān)特性一、開關(guān)作用1407.7 MOSFET開關(guān)特性二、電容的影響電容是導(dǎo)致輸出信號(hào)波形相對(duì)輸入信號(hào)波形存在延遲和失真的根本原因 輸入回路電容Ci=Cgs+Cgd通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻和Rg充放電，使柵壓相對(duì)信號(hào)源電壓產(chǎn)生延遲和失真：Ci充電達(dá)到VT時(shí)，ID才上升；Ci放電后，ID才下降。 在所討論的飽和負(fù)載增強(qiáng)-增強(qiáng)型倒相器中，輸入電容歸入上一級(jí)的輸出電容中，本級(jí)只考慮輸出回路電容的影響 本級(jí)輸出回路的電容歸于輸出端對(duì)地電容的影響1417.7 MOSFET開關(guān)特性二、電容的影響 本級(jí)輸出回路的電容歸于輸出端對(duì)地電容的影響，包括：1、倒相管BG1漏-襯p-n結(jié)電容2、負(fù)載管BG2源-襯p-n結(jié)電容

47、3、下一級(jí)的輸入電容Ci 合稱對(duì)地電容C地輸出電壓=C地電壓BG1由導(dǎo)通到截止，輸出電壓隨C地放電由“0”到“1”BG1由截止到導(dǎo)通，輸出電壓隨C地充電由“1”到“0”1427.7 MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間 1、截止或關(guān)閉時(shí)間t關(guān) 2、導(dǎo)通或開啟時(shí)間t開假設(shè)：MOS管本身沒(méi)有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，倒相器瞬態(tài)特性僅取決于電路的電容倒相器的輸入電壓為矩形脈沖倒相管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為零 充電僅通過(guò)負(fù)載管放電僅通過(guò)倒相管實(shí)際上也只有結(jié)電容充放電存儲(chǔ)電荷，又歸入電容有利于確定起始時(shí)間不考慮飽和壓降，便于確定電壓起始和終止邊界條件不考慮倒相管的泄漏，單一電流容易計(jì)算不考慮放電時(shí)負(fù)載管的電流，便于計(jì)算143

48、7.7 MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間 1、截止或關(guān)閉時(shí)間t關(guān)BG1截止（倒相器）（開關(guān)）定義：倒相器由導(dǎo)通躍變到截止的關(guān)閉時(shí)間t關(guān)為輸出電壓的最終穩(wěn)定值的10%上升到90%的時(shí)間，對(duì)輸出電壓而言，又可稱為上升時(shí)間1447.7 MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間 1、截止或關(guān)閉時(shí)間t關(guān)BG1截止（倒相器）（開關(guān)）某一時(shí)刻VGS1=0，倒相管BG1截止，C地開始通過(guò)負(fù)載管充電由假設(shè)145V1=VDD-VT為常數(shù)，是輸出電壓的最大值或穩(wěn)定值并且可見(jiàn)，VT越小，邏輯擺幅越大由假設(shè)，t=0時(shí)，uo(0)=0，得積分常數(shù)a1=11461477.7 MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間 2、導(dǎo)通或開啟時(shí)間t開

49、假設(shè)：放電僅通過(guò)倒相管BG1導(dǎo)通，C地通過(guò)BG1放電148P1：BG1截止，BG2導(dǎo)通；C地充電完成 VDS1=VDD-VT=VC地=uo(t)輸入矩形脈沖，BG1柵源電壓躍變 VGS1VT假設(shè),無(wú)存儲(chǔ),BG1由工作點(diǎn)P1躍變至P2溝道導(dǎo)通，有相應(yīng)于VDS1的IDS1IDS1使C地放電隨VC地下降，VDS1減小工作點(diǎn)沿輸出特性曲線由P2到P3再到P4P2-P3段為BG1的飽和區(qū)P3-P4段為BG1的非飽和區(qū)P3點(diǎn)為臨界飽和（分界點(diǎn)、夾斷點(diǎn)） VDS1=VGS1-VT， VGS1-VT=uo(t)導(dǎo)通過(guò)程：149飽和區(qū)：流經(jīng)BG1的電流C地的放電電流由假設(shè)及電流連續(xù)性原理 說(shuō)明飽和區(qū)輸出電壓與時(shí)

50、間成線性關(guān)系，恒流對(duì)電容充(放)電150于是，開啟時(shí)間中，飽和段部分151非飽和區(qū)：1527.8 MOSFET溫度特性一、遷移率隨溫度的變化二、閾值電壓與溫度的關(guān)系三、MOSFET主要參數(shù)的溫度關(guān)系1537.8 MOSFET溫度特性一、遷移率隨溫度的變化 MOSFET漏極電流的溫度效應(yīng)主要是由于溝道中載流子的有效遷移率n和閾值電壓VT與溫度有關(guān)。因此器件的溫度特性將由n- T及VT-T變化關(guān)系共同決定 MOSFET反型層中，當(dāng)表面電荷密度1012cm-2時(shí)，電子和空穴的有效遷移率為常數(shù)（不隨場(chǎng)強(qiáng)變化），且等于體內(nèi)遷移率的一半。 故隨溫度上升，遷移率下降，b因子具有負(fù)溫度系數(shù)1547.8 MOS

51、FET溫度特性二、閾值電壓與溫度的關(guān)系在很寬的溫度范圍內(nèi)，Qox和Vms與溫度無(wú)關(guān)因QB0，閾值電壓的溫度系數(shù)與費(fèi)米勢(shì)的有相同符號(hào)155看看費(fèi)米勢(shì)隨溫度的變化156EcEvEiT濃度升高EF同號(hào)157158即： n-MOS的閾值電壓隨溫度升高而下降 p-MOS的閾值電壓隨溫度升高而上升 且在-55+125范圍內(nèi)，閾值電壓隨溫度的變化基本上都是線性的1597.8 MOSFET溫度特性三、MOSFET主要參數(shù)的溫度關(guān)系1、漏極電流的溫度特性 漏極電流的溫度系數(shù)非飽和區(qū)0VDSVDsat=VGS-VT當(dāng)(VGS-VT)較大時(shí)，遷移率的溫度系數(shù)支配漏極電流的溫度特性，a0可選取適當(dāng)?shù)?VGS-VT)，

52、使漏極電流的溫度系數(shù)等于零零溫度系數(shù)工作條件1607.8 MOSFET溫度特性三、MOSFET主要參數(shù)的溫度關(guān)系2、跨導(dǎo)的溫度特性 跨導(dǎo)的溫度系數(shù)3、漏極電導(dǎo)的溫度特性 漏極電導(dǎo)的溫度系數(shù)在線性區(qū)，略去VDS非飽和區(qū)跨導(dǎo)的溫度系數(shù)為負(fù)值，因其在非飽和區(qū)內(nèi)僅與遷移率的溫度系數(shù)有關(guān)在非飽和區(qū)，漏極電導(dǎo)與漏極電流有相似的溫度特性161飽和區(qū)1、漏極電流的溫度系數(shù)2、跨導(dǎo)的溫度系數(shù)3、漏極電導(dǎo)的溫度系數(shù) 可見(jiàn)，在飽和區(qū)，Ids、gms、gds的溫度系數(shù)都受遷移率和閾值電壓共同影響，因而都存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)。（張屏英，周佑謨p296）按靜電反饋模型162當(dāng)(VGS-VT)較大時(shí)，遷移率的溫度系數(shù)支配漏

53、極電流的溫度特性，a0可選取適當(dāng)?shù)?VGS-VT)2V，使漏極電流的溫度系數(shù)等于零1637.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng) 前面假設(shè)MOSFET有一個(gè)足夠長(zhǎng)而寬的溝道，因而沿溝道四邊的“邊緣”效應(yīng)可忽略，允許假設(shè)電場(chǎng)線處處垂直于表面(即只有沿x方向的分量)并用緩變溝道近似對(duì)器件進(jìn)行一維分析。 當(dāng)溝道長(zhǎng)度小到可以與源結(jié)和漏結(jié)的耗盡層寬度相比擬，將有相當(dāng)一部分場(chǎng)強(qiáng)線同時(shí)具有y和x兩個(gè)方向的分量；短溝道 當(dāng)溝道寬度窄到比柵下耗盡層深度大得不太多時(shí)，則將出現(xiàn)y、z兩個(gè)方向的電場(chǎng)分布；窄溝道 對(duì)于又短又窄的溝道，將會(huì)出現(xiàn)y、x、z三維方向的電場(chǎng)。 上述一維的結(jié)論將不再適用。問(wèn)題：1647.9 MOS

54、FET短溝道和窄溝道效應(yīng) 二維和三維的分析可借助于計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行。這種方法雖然精確（圖像），但不能提供一個(gè)能用于有效計(jì)算的簡(jiǎn)單模型，因此許多分析計(jì)算還是靠利用經(jīng)驗(yàn)近似和半經(jīng)驗(yàn)方法加以簡(jiǎn)化來(lái)完成的。 在分析具體問(wèn)題時(shí)，為了提供一個(gè)能用于有效計(jì)算的簡(jiǎn)單模型，常常將多維的問(wèn)題分解成相對(duì)獨(dú)立的簡(jiǎn)單因素分別進(jìn)行研究后再進(jìn)行組合。雖然這樣做可能有些不夠嚴(yán)密精確，但卻是很有用的。方法：1657.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng) 在實(shí)際器件中，遇到最多的情況是溝道變短后所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，如： 閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度的減小而下降； 溝道長(zhǎng)度縮短后，漏源間高電場(chǎng)使遷移率減小，飽和漏電流下降，跨導(dǎo)下降?；蛘?/p>

55、溝道穿通出現(xiàn)空間電荷限制電流； 弱反型漏電流將隨溝道長(zhǎng)度縮小而增加，柵控靈敏度降低，漏電流隨漏壓增加而上升，甚至出現(xiàn)夾不斷的情況。這些偏離了長(zhǎng)溝道器件特性的種種現(xiàn)象總稱為短溝道效應(yīng)。界定：1667.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化二、漏特性及跨導(dǎo)的變化三、弱反型區(qū)的亞閾值電流四、長(zhǎng)溝道器件的最小溝道長(zhǎng)度限制五、短溝道高性能器件結(jié)構(gòu)舉例1677.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1、短溝道效應(yīng)也稱poon-yau 模型 在長(zhǎng)溝器件中，忽略了源、漏端邊緣效應(yīng)，柵極控制的空間電荷區(qū)為矩形區(qū)。此時(shí)柵下空間電荷區(qū)電荷總量：相應(yīng)的閾值電壓：1687.9 MOSFET短

56、溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1、短溝道效應(yīng)也稱poon-yau 模型 實(shí)際上，柵極控制的空間電荷區(qū)為梯形區(qū)。此時(shí)柵下空間電荷區(qū)電荷總量： 按柵下單位面積的平均電荷面密度計(jì)算，則減小至：1697.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1、短溝道效應(yīng)也稱poon-yau 模型 可見(jiàn)，隨著溝道長(zhǎng)度的縮短，柵下電荷面密度減小愈加明顯。由簡(jiǎn)單幾何模型：xdmaxr2 當(dāng)近似認(rèn)為源、漏結(jié)空間電荷區(qū)寬度與柵下耗盡層寬度相等時(shí)：1707.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1、短溝道效應(yīng)也稱poon-yau 模型xdmaxr2相應(yīng)的閾值電壓：閾值電壓的漂移量：171 某n溝

57、MOSFET閾值電壓漂移量隨溝道長(zhǎng)度的變化如圖所示當(dāng)VBS=0V時(shí)，測(cè)量值與理論值符合當(dāng)VBS=-4V時(shí)，偏差較大 襯底反偏使xdmax增大，短溝效應(yīng)更顯著（嚴(yán)重），用poon-yau模型也有較大誤差，而應(yīng)用二維方法求解。 問(wèn)題在于，當(dāng)xdmax增大后，可控電荷的差別不再簡(jiǎn)單地為矩形與梯形面積之差。漏、源空間電荷區(qū)的影響隨xdmax的增加不象poon-yau模型那樣大，說(shuō)明該模型也僅適用于較弱的短溝道效應(yīng)的情況。172xdmaxr2 問(wèn)題在于，當(dāng)xdmax增大后，可控電荷的差別不再簡(jiǎn)單地為矩形與梯形面積之差。漏、源空間電荷區(qū)的影響隨xdmax的增加不象poon-yau模型那樣大，說(shuō)明該模型也僅

58、適用于較弱的短溝道效應(yīng)的情況。1737.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化2、窄溝道效應(yīng) 在溝道寬度方向，耗盡層向兩側(cè)延伸，使柵極實(shí)際控制的電荷量超過(guò)長(zhǎng)溝模型的QBmax，對(duì)閾值電壓的影響剛好與短溝道效應(yīng)相反。表面耗盡層的總電荷量：174 強(qiáng)反型時(shí)，按柵下耗盡層平均單位面積有效電荷量：相應(yīng)的閾值電壓：窄溝道效應(yīng)與短溝道效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響相反隨著溝道長(zhǎng)度和寬度的增大，二者影響減弱1757.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變化在長(zhǎng)溝道器件中，IDS及gm均與L成反比 在短溝道器件中，L很短，溝道內(nèi)漂移電場(chǎng)Ey將隨漏源電壓VDS的增加而迅速上升。 類似于MES

59、FET的短?hào)潘俣蕊柡停?dāng)VDS增加到漏端電場(chǎng)達(dá)到載流子速度飽和臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec（2104V/cm）時(shí)，漏端載流子達(dá)到速度飽和，從而使漏極電流達(dá)到飽和值，而溝道未夾斷。 反映在輸出特性曲線提前拐彎：VDSVVDsat , IDSV IDsat 1760yy1L 設(shè)在溝道中y1處達(dá)到Ec，則0y1和y1L分為速度不飽和區(qū)和速度飽和區(qū)兩部分177其中VDS1為y1點(diǎn)電位及0y1間電壓V(y1)溝道壓降根據(jù)電流連續(xù)原理，在y1處兩電流相等，可解出VDS1178可見(jiàn)，漏端速度飽和時(shí)，漏極電流與VDS無(wú)關(guān)而達(dá)到飽和但此電流飽和僅由速度飽和引起，溝道并未夾斷，故且此時(shí)漏極電流不再反比于溝道長(zhǎng)度 L速度飽和時(shí)的跨

60、導(dǎo)：速度飽和時(shí)故gmVgms，且gmV隨L的縮短而下降*另一種討論方法是考慮遷移率調(diào)制效應(yīng)，象JFET那樣1797.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變化 可見(jiàn)，當(dāng)L很短時(shí)，漏端載流子速度飽和，漏電流飽和，跨導(dǎo)gmV也變成與VDS、VGS、L均無(wú)關(guān)的飽和值 L再減小，可能出現(xiàn)溝道穿通。1807.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變化 包含六種效應(yīng)的組合模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值，包括：短溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)速度飽和效應(yīng)VDS對(duì)閾值電壓的影響有效遷移率與垂直電場(chǎng)的相關(guān)性飽和區(qū)的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)1817.9 MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)三、弱反型區(qū)的亞閾值電流亞閾值