第7章-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管課件

微電子器件原理第7章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）微電子中心羅敏

cn.minLuo@TEL：5687574-8041微電子器件原理第7章MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管哈爾濱工業(yè)大學(xué)（§7.1MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)2§7.1MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基§7.1MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)3§7.1MOSFET基本工作原理和分類一、MOSFET的基§7.1MOSFET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0＜VGS＜VT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(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。4§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基本工作原理5§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基本工作原理6§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基§7.1MOSFET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7§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基§7.1MOSFET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8§7.1MOSFET基本工作原理和分類二、MOSFET的基§7.1MOSFET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VDS>0<0IDS方向由D→S由S→D閾值電壓VT<0VT>0VT>0VT<0電路符號(hào)GBSDGBSDGBSDGBSD9§7.1MOSFET基本工作原理和分類三、MOSFET的分§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式MOSFET的閾值電壓VT是柵極下面的半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型，從而出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)所加的柵源電壓。1.MOS結(jié)構(gòu)中的電荷分布2.強(qiáng)反型條件3.理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓4.實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓10§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式2.強(qiáng)反型條件強(qiáng)反型：是指半導(dǎo)體表面積累的少數(shù)載流子的濃度達(dá)到和超過體內(nèi)多子濃度的狀態(tài)表面勢(shì)：半導(dǎo)體表面的電勢(shì)VS11§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式2.強(qiáng)反型條件

半導(dǎo)體表面能帶彎曲至表面勢(shì)等于兩倍費(fèi)米勢(shì)時(shí)，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)強(qiáng)反型狀態(tài)。12§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式13§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式3.理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓表面耗盡層反型層載流子的屏蔽作用場(chǎng)感應(yīng)結(jié)理想MOS結(jié)構(gòu)忽略氧化層中電荷的影響不計(jì)金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓14§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式3.理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓15§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表1616§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表達(dá)式4.實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓平帶電壓VFB柵源電壓：抵消金-半之間接觸電勢(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)17§7.2MOSFET的閾值電壓一、MOSFET的閾值電壓表§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓的諸因素分析1、VDS2、VBS●●●●●●●●●1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差Φms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響18§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓§7.2MOSFET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Φms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響qVsEcEvEiEFVs=2fFEcEvEFpqfFqfFqVsEFnEiqVDq(VD+V)19§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓§7.2MOSFET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Φms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響Cox為MOS結(jié)構(gòu)柵下氧化層的電容，與介電常數(shù)及介質(zhì)層厚度有關(guān)。Cox越大，單位電壓的變化引起的電荷變化越大，或閾值電壓越小制作薄而致密的優(yōu)質(zhì)氧化層，可在一定程度上達(dá)到提高Cox的目的選用高介電常數(shù)材料，如Si3N4、Al2O3并用SiO2過渡以減少界面態(tài)，形成所謂MNOSFET和MAOSFET20§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓§7.2MOSFET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Φms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響功函數(shù)：某種材料的費(fèi)米能級(jí)與真空中自由電子能級(jí)之差修正功函數(shù)：在MOS結(jié)構(gòu)中，金屬和半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)與SiO2導(dǎo)帶邊緣的能量差電子親和勢(shì)：從導(dǎo)帶到真空的電勢(shì)能，對(duì)于半導(dǎo)體，在表面處將一個(gè)導(dǎo)帶底上的電子移到真空中所需做的功，即c=E0-Ec真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En21§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓§7.2MOSFET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Φms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響

可見，半導(dǎo)體修正功函數(shù)與摻雜濃度有關(guān)，反映在En或費(fèi)米勢(shì)上，每2個(gè)數(shù)量級(jí)約0.1V（eV)真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En22§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓每2個(gè)數(shù)量級(jí)約0.1V（eV)23每2個(gè)數(shù)量級(jí)約0.1V（eV)23金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)（修正功函數(shù)）各不相同，當(dāng)它們形成MOS結(jié)構(gòu)時(shí)，為滿足熱平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)處處相等的要求，將在半導(dǎo)體表面引起能帶彎曲24金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)（修正功函數(shù)）各不相同，當(dāng)它們形成MOS為消除功函數(shù)差引起的能帶彎曲以使硅中無電場(chǎng)，所需“另加的”柵壓就是功函數(shù)差（修正功函數(shù)差）對(duì)應(yīng)的電壓——平帶電壓（中的Vms)EFMEcEvEFSEiAlSiO2P-SiEFMEcEvEFSEiAlSiO2P-SiEg/225為消除功函數(shù)差引起的能帶彎曲以使硅中無電場(chǎng)，所需“另加的”柵符號(hào)問題例子：Al-p-Si(NA=1014cm-3)MOS結(jié)構(gòu)接觸后，金屬電位高于半導(dǎo)體，相當(dāng)于正電壓作用，使表面能帶向下彎曲。欲使之平直，需在金屬側(cè)加一負(fù)壓在n溝MOSFET中在正的閾值電壓中減去Vms，相當(dāng)于正的Vms已使能帶下彎，再加上一點(diǎn)正壓使表面勢(shì)達(dá)到2倍費(fèi)米勢(shì)即可。同樣，Qox>0，則也應(yīng)減去相應(yīng)電壓26符號(hào)問題例子：Al-p-Si(NA=1014cm-3)MO2727§7.2MOSFET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Φms4.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(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)En28§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓§7.2MOSFET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Φms4.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(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡層空間電荷影響VT體效應(yīng)系數(shù)29§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓3030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31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)濃度越大襯底反偏VBS通過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32襯底反偏VBS通過NA(ND)影響QBmax，從而改變VT1.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差Φms4.襯底雜質(zhì)濃度的影響5.氧化膜中電荷的影響331.偏置電壓的影響331.偏置電壓的影響2.柵電容Cox3.功函數(shù)差Φms4.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φF、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VTNs為注入劑量綜上所述：341.偏置電壓的影響襯底雜質(zhì)濃度N可以通過φF、Vms及QBm§7.2MOSFET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Φms4.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。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35§7.2MOSFET的閾值電壓二、影響MOSFET閾值電壓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關(guān)，與SiO2膜厚度無關(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、γ射線、高能/低能電子束等照射SiO2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36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)203737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。38上述4種電荷的作用統(tǒng)歸于Qox——等效電荷38當(dāng)Qox>1012cm-2時(shí)，即使NA>1017cm-3，仍有VT<0當(dāng)NA<1015cm-3時(shí)，VT基本與NA無關(guān)而由Qox決定當(dāng)NA>1015cm-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(VT>0)，可以提高襯底濃度NA降低氧化層中電荷量Qox39當(dāng)Qox>1012cm-2時(shí)，即使NA>1017cm-3，仍§7.2MOSFET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40§7.2MOSFET的閾值電壓三、關(guān)于反型程度劃分的討論4141MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面電荷密度與表面勢(shì)的關(guān)系42MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面電荷密度與表面勢(shì)的關(guān)系424343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=2φF時(shí)，ns=pB0，但Qn很小，故在前述討論中忽略是合理的2、Vs=2φF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=2φF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=2φF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。44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4545§7.3MOSFET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46§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線一、MOSF4747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μn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無關(guān)，且即滿足緩變溝道近似溝道電場(chǎng)y方向變化很小48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強(qiáng)反型時(shí)49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(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)差則說明強(qiáng)反型后，多余的VGS用于Qn(y)由歐姆定律50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n溝MOSFET基本I-V方程51n溝MOSFET基本I-V方程51

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：52因?yàn)?，?dāng)VDS很小時(shí)，溝道壓降影響甚微，溝道VDSIDSVGSVGS'I'DsatVGS-VTIDsat①②③非飽和區(qū)

因?yàn)椋?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53VDSIDSVGSVGS'I'DsatVGS-VTIDsa5454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，VT<0，VDsat>VGS，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p27155關(guān)于絕緣層中的電場(chǎng)Eox：金屬柵極SiO2n+n+y0Lto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)56曾經(jīng)假設(shè)溝道載流子遷移率為常數(shù)56§7.3MOSFET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)輸出特性曲線描繪IDS~VDS(VGS)關(guān)系曲線分4個(gè)區(qū)：非飽和區(qū)：VDS<Vdsat,，IDS~VDS近似線性關(guān)系，可調(diào)電阻區(qū)飽和區(qū)：VDsat<VDS<BVDS，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57§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線二、MOSF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）58圖(a)是以襯底電位為參考點(diǎn)，以VGB為參量的輸出特性58均以源極為參考電位時(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VBS59均以源極為參考電位時(shí)，隨襯底反偏增大，漏極電流減小§7.3MOSFET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MOSFET60§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線二、MOSF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61耗盡型增強(qiáng)型PnPn電路符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性61§7.3MOSFET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VGS的變化，使導(dǎo)電溝道產(chǎn)生/消失的臨界電壓，是VGS能夠：①抵消金-半接觸電勢(shì)差②補(bǔ)償氧化層中電荷③建立耗盡層電荷（感應(yīng)結(jié)）④提供反型的2倍費(fèi)米勢(shì)62§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSF§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSFET的直流參數(shù)2、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：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(VT~ns)、Cox……63§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSF§7.3MOSFET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)VDS<<VGS-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.64§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSF§7.3MOSFET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柵源直流絕緣電阻。取決于柵氧化層的絕緣電阻值。一般在109Ω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)。65§7.3MOSFET的I-V特性和直流特性曲線三、MOSF66666767§7.4MOSFET擊穿特性一、漏源擊穿1、漏源雪崩擊穿漏源擊穿柵擊穿雪崩擊穿勢(shì)壘穿通漏-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68§7.4MOSFET擊穿特性一、漏源擊穿漏源擊穿雪崩擊穿漏一、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，相反型號(hào)載流子通常被襯底吸收，形成寄生襯底電流的一部分。69一、漏源擊穿溝道雪崩擊穿（溝道擊穿）在夾斷區(qū)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①處ID越大，轉(zhuǎn)移越快；在②處降低VD，再加壓，直接呈現(xiàn)②；在500℃退火后，重新測(cè)試，呈現(xiàn)①并轉(zhuǎn)移到②。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(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70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：此Si中電子進(jìn)入SiO2需越過3.15eV的勢(shì)壘，越過勢(shì)壘的概率為2.8×10-5Si中空穴進(jìn)入SiO2需越過3.8eV的勢(shì)壘，越過勢(shì)壘的概率為4.6×10-8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71Si中電子進(jìn)入SiO2需越過3.15eV的勢(shì)壘，越過勢(shì)壘的概雪崩注入現(xiàn)象的應(yīng)用（EPROM）浮置柵雪崩注入MOS器件（FAMOS）—FloatinggateAvalancheinjectionMOS迭柵雪崩注入MOS器件（SAMOS）—SuperposedgateAvalancheinjectionMOS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，再次越過勢(shì)壘，通過襯底或外柵釋放（擦除）72雪崩注入現(xiàn)象的應(yīng)用（EPROM）浮置柵雪崩注入MOS器件（F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)：73一、漏源擊穿VDS作用于n+-p-n+之間（§7.4MOSFET擊穿特性二、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(5~10)8×106V/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)106~1010A/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)74§7.4MOSFET擊穿特性二、MOSFET的柵擊穿當(dāng)VG§7.5MOSFET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)mΔVGSID+ΔID+--

+-

+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)襯底跨導(dǎo)gmb小信號(hào)漏端電導(dǎo)gds電壓放大系數(shù)mΔVBSID+ΔID+--

+-

+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)mΔVDSID+ΔID+--

+-

+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)mΔVGSIDS=c+--

+-

+SDGBVDS0VGS0VSB0-

+ΔVDS-

+75§7.5MOSFET頻率特性一、MOSFET的低頻小信號(hào)等MOSFET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：76MOSFET的柵跨導(dǎo)gm(跨導(dǎo)）漏極電流微分增量與柵源電壓微兩者溝道導(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=0VGS<0VGS>0MOSFETJFETMOSFET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77兩者溝道導(dǎo)電能力隨柵源電壓變化規(guī)律不同。在J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78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之《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79《半導(dǎo)體器件物理與工藝》[美]施敏p223b理想結(jié)構(gòu)中忽略關(guān)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80從VT通式（7-22）(y)帶入（7-52）從y=0,V(0QBmax第一項(xiàng)與（7-54）相同，表示柵絕緣層電容控制的表面場(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，2φF~VD;VBS~VGS可看作理想MOS與JFET的并聯(lián)81QBmax第一項(xiàng)與（7-54）相同，表示柵絕緣層電容控制的表小信號(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)。82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，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)變化關(guān)系動(dòng)態(tài)電阻無窮大，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)83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，表示漏溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDS>VDsat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，說明溝道長(zhǎng)度減小，電阻減小。為有限值84溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDS>VDsat后，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)，形成漏區(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，85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一、MOSFET的低頻小信號(hào)等效電路

2、低頻小信號(hào)模型SDGBgd86一、MOSFET的低頻小信號(hào)等效電路SDGBgd86一、MOSFET的低頻小信號(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87一、MOSFET的低頻小信號(hào)等效電路GSDB本征部分MOSFSGDMOSFET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88SGDMOSFET小信號(hào)參數(shù)1、柵極電位變化引起溝道電導(dǎo)變化SGDB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Rs、Rd源、漏區(qū)串聯(lián)電阻89SGDB較完整的MOSFET小信號(hào)等效電路Cgs柵源之間分布與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的一半；MOSFET為CG3、飽和區(qū)MOSFET：Cgs占大半，Cgd≈090與JFET比較：1、Cgd定義相同，在線性區(qū)各為CG(Cg)§7.5MOSFET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fT3、最高振蕩頻率fM4、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91§7.5MOSFET頻率特性二、MOSFET的高頻特性Cg飽和，溝道夾斷，溝道電阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-92飽和，溝道夾斷，溝道電阻增大CgsRgsRLrdsgmsug高頻時(shí)——高頻下飽和區(qū)跨導(dǎo)93高頻時(shí)——高頻下飽和區(qū)跨導(dǎo)932、截止頻率fTCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-igid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(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942、截止頻率fTCgsRgsRLrdsgmsug+-+-us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，95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)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)96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，3、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(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。ug973、最高振蕩頻率fMCgsRgsRL=rdsrdsgmsug可見，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98可見，隨頻率上升，KP下降。當(dāng)KP=1時(shí)，對(duì)4、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994、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100100§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑

1、提高遷移率2、縮短溝道長(zhǎng)度3、減小寄生電容101§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑

1、提高遷移率①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。②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)7350cm2／Vs。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。③盡可能采用n溝MOSFET結(jié)構(gòu)，mn>mp102§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑

1、提高遷移率④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?？梢姡駵螹OST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。

103§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的§7.5MOSFET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LateralDoubleDiffusedMOSFETV-GrooveMOSFET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104§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的途徑3、減小寄生電容105§7.5MOSFET頻率特性三、提高M(jìn)OSFET頻率性能的與雙極器件相比：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(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。

§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)106與雙極器件相比：§7.6MOSFET功率特性和功率MOSF§7.6MOSFET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)107§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MO§7.6MOSFET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無關(guān)108§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MO§7.6MOSFET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109§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MO§7.6MOSFET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大于雙極型器件的安全工作區(qū)110§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)一、MO§7.6MOSFET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)①偏置柵MOS結(jié)構(gòu)②橫向DMOSFET(LD-MOSFET)2、三維結(jié)構(gòu)①垂直漏網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)②垂直漏極V-MOST（VV-MOST或簡(jiǎn)稱V-MOS）③垂直漏UMOS（VUMOS）111§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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)①偏置柵MOS結(jié)構(gòu)延伸漏區(qū)提高漏壓場(chǎng)板結(jié)構(gòu)改善柵邊緣電場(chǎng)集中,進(jìn)一步改善擊穿特性112§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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)②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113§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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)①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114§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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)①垂直漏網(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)115§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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)②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形槽穿過擴(kuò)散層到n-區(qū)自停止n-延伸漏區(qū)可提高漏壓,減小Cgd116§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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)③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Cgd117§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)二、功率§7.6MOSFET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118§7.6MOSFET功率特性和功率MOSFET結(jié)構(gòu)三、功率§7.7MOSFET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119§7.7MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用開關(guān)作用開關(guān)時(shí)間§7.7MOSFET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)120§7.7MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用增強(qiáng)型PMOS管柵§7.7MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用121§7.7MOSFET開關(guān)特性一、開關(guān)作用121§7.7MOSFET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122§7.7MOSFET開關(guān)特性二、電容的影響電容是導(dǎo)致輸出信§7.7MOSFET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”123§7.7MOSFET開關(guān)特性二、電容的影響§7.7MOSFET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)：①M(fèi)OS管本身沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，倒相器瞬態(tài)特性僅取決于電路的電容②倒相器的輸入電壓為矩形脈沖③倒相管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為零④充電僅通過負(fù)載管⑤放電僅通過倒相管實(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124§7.7MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間假設(shè)：實(shí)際上也只有§7.7MOSFET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125§7.7MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間BG1截止（倒相器§7.7MOSFET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地開始通過負(fù)載管充電由假設(shè)④126§7.7MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間BG1截止（倒相器V1=VDD-VT為常數(shù)，是輸出電壓的最大值或穩(wěn)定值并且可見，VT越小，邏輯擺幅越大由假設(shè)③，t=0時(shí)，uo(0)=0，得積分常數(shù)a1=1127V1=VDD-VT為常數(shù)，是輸出電壓的最大值或穩(wěn)定值由假設(shè)③128128§7.7MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間2、導(dǎo)通或開啟時(shí)間t開假設(shè)⑤放電僅通過倒相管BG1導(dǎo)通，C地通過BG1放電129§7.7MOSFET開關(guān)特性三、開關(guān)時(shí)間假設(shè)⑤放電僅通過倒P1：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

│VGS1│>│VT│假設(shè)①,無存儲(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)通過程：130P1：BG1截止，BG2導(dǎo)通；C地充電完成導(dǎo)通過程：130飽和區(qū)：流經(jīng)BG1的電流C地的放電電流由假設(shè)⑤及電流連續(xù)性原理說明飽和區(qū)輸出電壓與時(shí)間成線性關(guān)系，——恒流對(duì)電容充電131飽和區(qū)：流經(jīng)BG1的電流C地的放電電流由假設(shè)⑤及電流連續(xù)性原于是，開啟時(shí)間中，飽和段部分132于是，開啟時(shí)間中，飽和段部分132非飽和區(qū)：133非飽和區(qū)：133§7.8MOSFET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μn和閾值電壓VT與溫度有關(guān)。因此器件的溫度特性將由μn-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)134§7.8MOSFET溫度特性一、遷移率隨溫度的變化§7.8MOSFET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與溫度無關(guān)因QB<0，故方括號(hào)>0，閾值電壓的溫度系數(shù)與費(fèi)米勢(shì)的有相同符號(hào)135§7.8MOSFET溫度特性二、閾值電壓與溫度的關(guān)系在很寬136136EcEvEiT濃度升高EF同號(hào)137EcEvEiT濃度升高EF同號(hào)137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138即：138§7.8MOSFET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)<0>0VDS<VDsat=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，a<0當(dāng)(VGS-VT)較小時(shí)，閾值電壓的作用占主導(dǎo)地位，a>0可選取適當(dāng)?shù)?VGS-VT)，使漏極電流的溫度系數(shù)等于零——零溫度系數(shù)工作條件139§7.8MOSFET溫度特性三、MOSFET主要參數(shù)的溫度§7.8MOSFET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140§7.8MOSFET溫度特性三、MOSFET主要參數(shù)的溫度飽和區(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，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)。141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，a<0當(dāng)(VGS-VT)較小時(shí)，閾值電壓的作用占主導(dǎo)地位，a>0可選取適當(dāng)?shù)?VGS-VT)≈2V，使漏極電流的溫度系數(shù)等于零142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§7.9MOSFET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。143§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)前面假設(shè)MO§7.9MOSFET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)值方法來進(jìn)行。這種方法雖然精確，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)化來完成的。在分析具體問題時(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。144§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二維和三維的§7.9MOSFET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的一系列問題，如：①閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度的減小而下降；②溝道長(zhǎng)度縮短后，漏源間高電場(chǎng)使遷移率減小，跨導(dǎo)下降。或者溝道穿通出現(xiàn)空間電荷限制電流；③弱反型漏電流將隨溝道長(zhǎng)度縮小而增加，并出現(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)。145§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)在實(shí)際器件中§7.9MOSFET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：146§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1§7.9MOSFET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：147§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1§7.9MOSFET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，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)：148§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1§7.9MOSFET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：149§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化1某n溝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，說明該模型也僅適用于較弱的短溝道效應(yīng)的情況。150某n溝MOSFET閾值電壓漂移量隨溝道長(zhǎng)度的xdmaxr2問題在于，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，說明該模型也僅適用于較弱的短溝道效應(yīng)的情況。151xdmaxr2問題在于，當(dāng)xdmax增大后，§7.9MOSFET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：152§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)一、閾值電壓的變化2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153強(qiáng)反型時(shí)，按柵下耗盡層平均單位面積有效電荷量§7.9MOSFET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MESFET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（~2×104V/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：VDSV<VDsat,IDSV<IDsat

154§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變0yy1L設(shè)在溝道中y1處達(dá)到Ec，則0~y1和y1~L分為速度不飽和區(qū)和速度飽和區(qū)兩部分1550yy1L設(shè)在溝道中y1處達(dá)到Ec，則0~y其中VDS1為y1點(diǎn)電位及0~y1間電壓V(y1)根據(jù)電流連續(xù)原理，在y1處兩電流相等，可解出VDS1156其中VDS1為y1點(diǎn)電位及0~y1間電壓V(y1)根據(jù)電流連可見，漏端速度飽和時(shí)，漏極電流與VDS無關(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)的跨導(dǎo)：速度飽和時(shí)故gmV<gms，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157可見，漏端速度飽和時(shí)，漏極電流與VDS無關(guān)而達(dá)到飽和速度飽和§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變化可見，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均無關(guān)的飽和值L再減小，可能出現(xiàn)溝道穿通。158§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變§7.9MOSFET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：①短溝道效應(yīng)②窄溝道效應(yīng)③速度飽和效應(yīng)④VDS對(duì)閾值電壓的影響⑤有效遷移率與垂直電場(chǎng)的相關(guān)性⑥飽和區(qū)的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)159§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)二、漏特性及跨導(dǎo)的變§7.9MOSFET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電流：VGS<VT時(shí)，器件處于弱反型狀態(tài)的漏極電流從轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出：強(qiáng)反型導(dǎo)電到亞閾值導(dǎo)電是連續(xù)過渡的。亞閾值電流對(duì)器件的影響：1.增大截止漏極電流2.開關(guān)特性變壞3.增大動(dòng)態(tài)功耗4.開關(guān)電路動(dòng)態(tài)噪聲容限5.動(dòng)態(tài)電路結(jié)點(diǎn)電平的保持6.信號(hào)失真以及噪聲弱反型狀態(tài)：160§7.9MOSFET短溝道和窄溝道效應(yīng)三、弱反型區(qū)的亞閾值無論長(zhǎng)溝