半導(dǎo)體器件物理II必背公式+考點(diǎn)摘要

1、半二復(fù)習(xí)筆記1.1 MOS結(jié)構(gòu)1. 費(fèi)米勢(shì)：禁帶中心能級(jí)(EFi)與費(fèi)米能級(jí)(EF)之差的電勢(shì)表示2. 表面勢(shì)：半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差，體內(nèi)EFi和表面EFi之差的電勢(shì)表示3. 金半功函數(shù)差4. P溝道閾值電壓注意faifn是個(gè)負(fù)值1.3 MOS原理1. MOSFET非飽和區(qū)IV公式2. 跨導(dǎo)定義：VDS一定時(shí)，漏電流ID隨VGS變化率，反映了VGS 對(duì)ID 的控制能力3. 提高飽和區(qū)跨導(dǎo)途徑4.襯底偏置電壓VSB0，其影響5. 背柵定義：襯底能起到柵極的作用。VSB變化，使耗盡層寬度變化，耗盡層電荷變化；若VGS不變，則反型溝道電荷變化，漏電流變化1.4 頻率特性1. MOSFET頻率

2、限制因素：溝道載流子的溝道運(yùn)輸時(shí)間（通常不是主要的限制因素） 柵電容充放電需要時(shí)間2. 截止頻率：器件電流增益為1時(shí)的頻率 高頻等效模型如下： 柵極總電容CG看題目所給條件。若為理想，CgdT為0，CgsT約等于Cox，即CG=Cox；非理想情況即柵源、柵漏之間有交疊，產(chǎn)生寄生電容：CgdT的L為交疊部分長(zhǎng)度 CgsT的L為L(zhǎng)+交疊部分長(zhǎng)度（CgsT=Cgs+Cgsp）。3. 提高截止頻率途徑1.5 CMOS1.開(kāi)關(guān)特性2.閂鎖效應(yīng)過(guò)程2.1 非理想效應(yīng)1. MOSFET亞閾特性 亞閾值電流：弱反型態(tài)：勢(shì)壘較低電子有一定幾率越過(guò)勢(shì)壘形成亞閾值電流 關(guān)系式： 注：若VDS4（kT/e），最后括號(hào)

3、部分1，IDsub近似與VDS無(wú)關(guān) 亞閾值擺幅S：漏電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所需的柵壓變化量，S是量化MOS管能否隨柵壓快速關(guān)斷的參數(shù)。 快速關(guān)斷：電流降低到Ioff所需VGS變化量小。因此S越小越好 亞閾特性的影響：開(kāi)關(guān)特性變差：VGS=0時(shí)不能理想關(guān)斷；靜態(tài)功耗增加 措施：提高關(guān)斷/待機(jī)狀態(tài)下器件的閾值電壓VT（如通過(guò)襯底和源之間加反偏壓，使VT增加）、減小亞閾值擺幅2. 溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)（VDSID） 機(jī)理理想長(zhǎng)溝：LL，導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻近似不變，飽和區(qū)電流飽和；實(shí)際器件(短溝)：L L ，導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻減小，ID增加, 夾斷區(qū)長(zhǎng)度 修正后的漏源電流 影響因素襯底摻雜濃度N 越小L的絕對(duì)

4、值越大溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)越顯著；溝道長(zhǎng)度L越小 L的相對(duì)值越大溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)越顯著3. 遷移率變化 概念：MOSFET載流子的遷移率理想情況下：近似為常數(shù)；實(shí)際受溝道內(nèi)電場(chǎng)的影響，遷移率非常數(shù)。VGS垂直電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)的電子更接近于氧化層和半導(dǎo)體的界面表面散射增強(qiáng)，載流子的表面遷移率下降 影響：漏電流、跨導(dǎo)隨柵壓增加而增加的趨勢(shì)減緩4. 速度飽和 概念：E較低時(shí)，為常數(shù)，半導(dǎo)體載流子漂移速度v與溝道方向電場(chǎng)E正比；E較高時(shí)，達(dá)到一臨界電場(chǎng)EC時(shí)，載流子漂移速度v將達(dá)到飽和速度vSat，使載流子的下降 影響：使電流飽和原因： 易發(fā)生情況：短溝器件，U大L小，E大，易達(dá)到飽和Ec 考慮速度飽和后的飽

5、和漏源電流 跨導(dǎo)：與偏壓、溝長(zhǎng)無(wú)關(guān) 截止頻率：與偏壓無(wú)關(guān)5. 彈道輸運(yùn) 特點(diǎn)： 溝道長(zhǎng)度L0.1m，大于散射平均自由程；載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需經(jīng)過(guò)多次散射；因經(jīng)歷多次散射，載流子運(yùn)動(dòng)速度用平均漂移速度表征2.2 按比例縮小按比例縮小的參數(shù)：器件尺寸參數(shù)（L，tox，W，xj）：k倍摻雜濃度（Na，Nd）：1/k倍電壓V：k倍電場(chǎng)E： 1倍耗盡區(qū)寬度Xd： k倍電阻R（與L/W成正比）：1倍; 總柵電容（與WL/tox成正比）: k倍漏電流I（與WV/L成正比): k倍2.3 閾值電壓調(diào)整1. 短溝道效應(yīng)（LVT） 概念：隨著溝長(zhǎng)L變短，柵壓VG可控空間電荷區(qū)僅僅為下方梯形可控耗盡層電荷占耗盡層越

6、來(lái)越少使得可控Qsd變小，VT下降 影響因素：a.L VTN b.Na VTN c. VDS0 漏襯n+p反偏壓 Qsd VTN d. VSB VTN（VT絕對(duì)值更大，使VT整體減?。?. 窄溝道效應(yīng)（WVT） 概念：表面耗盡層在寬度方向?qū)⒋嬖跈M向展寬現(xiàn)象VGS作用下要產(chǎn)生中間矩形和兩側(cè)的耗盡層電荷W越小，相同偏壓VG下能用來(lái)控制下方矩形部分的電壓V越少VT隨W的而增大3. 離子注入調(diào)整 原理：通過(guò)離子注入技術(shù)向溝道區(qū)注入雜質(zhì)a.p型襯底表面注入受主雜質(zhì)（如B）半導(dǎo)體表面凈摻雜濃度Na /QSDmax/表面更難以反型VTb. p型襯底表面注入施主雜質(zhì)（如P）半導(dǎo)體表面凈摻雜濃度Na /QSDm

7、ax/表面更容易反型VT 離子注入關(guān)系 P型襯底加入受主雜質(zhì)： 2.4 擊穿特性1. 柵氧化層擊穿 概念：VGS 氧化層電場(chǎng)強(qiáng)度Eox臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EB，氧化層發(fā)生介電擊穿，柵襯短路，柵電流產(chǎn)生 影響因素：靜電使柵兩側(cè)出現(xiàn)電荷積累，易產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)使之擊穿 措施：a.設(shè)計(jì)和使用做好防靜電措施 b.進(jìn)行電路設(shè)計(jì)2. 漏襯pn結(jié)雪崩擊穿（溝道未形成） 概念：結(jié)反偏壓VDS大到一臨界值BVDS ，發(fā)生雪崩擊穿 雪崩擊穿：載流子從大E獲得大能量，與晶格原子碰撞 共價(jià)鍵斷裂，產(chǎn)生電子空穴對(duì) 產(chǎn)生的電子空穴也會(huì)從E獲得能量，繼續(xù)碰撞產(chǎn)生大量的電子被漏極收集（加入ID），發(fā)生擊穿，產(chǎn)生的空穴注入襯底（產(chǎn)生Isub

8、） 影響因素：a.擊穿電壓BVnp，其為輕摻雜側(cè)摻雜濃度Na的函數(shù) b. MOSFET漏襯PN結(jié)的BVDSVT） 概念：發(fā)自S端的載流子，形成電流IS, 進(jìn)入溝道區(qū)，受溝道E的加速在D端附近發(fā)生雪崩倍增產(chǎn)生的電子被漏極收集（加入ID），產(chǎn)生的空穴注入襯底（產(chǎn)生Isub） 影響因素：a. VDS越大，E越強(qiáng)，越容易誘發(fā)倍增 b. VGS越大，溝道載流子數(shù)越多，倍增越快，BVDS越小4. 寄生晶體管擊穿（雪崩擊穿正反饋） 概念前提：MOSFET存在寄生的雙極型晶體管雪崩擊穿存在襯底電流Isub，同時(shí)Rsub不為零寄生晶體管基極電勢(shì)增高，使源襯結(jié)正偏電子由重?fù)皆磪^(qū)擴(kuò)散至襯底，一部分電子加入ID使ID

9、雪崩擊穿加?。ㄕ答仯?易發(fā)生情況：短溝高阻襯底的MOSFET a.短溝，基區(qū)較窄，注入溝道區(qū)的電子易被漏極收集，同時(shí)漏結(jié)附近的E較強(qiáng)，倍增效應(yīng)強(qiáng) b.高阻，Rsub大 措施：重?fù)揭r底5. 源漏穿通效應(yīng)（短溝器件） 概念：漏襯結(jié)的空間電荷區(qū)擴(kuò)展至和源襯結(jié)空間電荷區(qū)相接導(dǎo)致源端和源漏之間半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度降低電子跨越勢(shì)壘高度由源區(qū)注入到源漏之間半導(dǎo)體區(qū)的幾率增加 影響：a. VGS=0時(shí)，源和溝道區(qū)勢(shì)壘高度被拉更低源區(qū)電子注入到溝道區(qū)數(shù)量增多亞閾值電流增加 b. VDS源和溝道區(qū)勢(shì)壘高度降低ID指數(shù)柵壓控制器件ID 能力下降 易發(fā)生情況：短溝高阻襯底的MOSFET 措施：增大柵氧下方會(huì)發(fā)生穿通效應(yīng)

10、的襯底濃度NB、增大VSB6. LDD結(jié)構(gòu)的MOSFET 定義：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)（Lightly Doped Drain） 概念：在溝道的漏端及源端增加低摻雜區(qū)，降低溝道端口處的摻雜濃度及摻雜濃度的分布梯度 作用：降低溝道中漏附近的電場(chǎng)，提高器件的擊穿電壓2.5 輻射效應(yīng)與熱載流子效應(yīng)1. 輻射效應(yīng) 概念：x射線(xiàn)、射線(xiàn)等離化輻射將SiO2中的電子-空穴對(duì)打開(kāi)，同時(shí)產(chǎn)生自由電子和自由空穴 影響： a.產(chǎn)生氧化層電荷 b.產(chǎn)生界面態(tài) c. 輻射總劑量越大，曲線(xiàn)斜率小，亞閾值擺幅增大2. 熱載流子效應(yīng) 熱載流子定義：熱載流子有效溫度Te高，若環(huán)境溫度為T(mén)，則平均能量（kTe）大于晶格能量（kT）的載流子

11、。MOSFET的熱載流子，從VDS產(chǎn)生的E獲得能量 影響 a.熱載流子（能量高）越過(guò)Si-SiO2界面勢(shì)壘注入到SiO2層中被氧化層陷阱俘獲，氧化層電荷變化 b.熱載流子越過(guò)界面，會(huì)打開(kāi)Si-O鍵，產(chǎn)生界面態(tài)，使界面陷阱電荷變化 c.表面散射增強(qiáng)，使遷移率下降 d.被柵極收集，形成柵電流 特點(diǎn)：是連續(xù)過(guò)程、易發(fā)生于短溝器件 措施：采用輕摻雜漏結(jié)構(gòu)（LDD） 原因：漏區(qū)摻雜濃度較低且分布梯度較緩，電力線(xiàn)不易集中，溝道中漏附近的電場(chǎng)降低；減緩熱載流子的產(chǎn)生；減緩雪崩擊穿效應(yīng)，寄生雙極晶體管擊穿效應(yīng) 3.1 JFET場(chǎng)效應(yīng)管與MESFET1. MESFET基本結(jié)構(gòu) 2. 肖特基二極管特點(diǎn) 反向飽和電流數(shù)量級(jí)更高 多子器件，無(wú)擴(kuò)散電容無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)特性好3.2 JFET理想直流特性1. 內(nèi)建夾斷電壓Vp0：溝道夾斷時(shí)柵結(jié)總壓降, Vp002. 夾斷電壓Vp：溝道夾斷時(shí)的柵源電壓，根據(jù)溝道類(lèi)型可正可負(fù)3. 直流特性 近似公式：，IDSS為VGS=0時(shí)的溝道漏電流 閾電流：，為JFET在VGS,Vbi均為0時(shí)的最大漏電流，無(wú)空間電荷區(qū)注意上式和Nd有關(guān)，即漏電流與摻雜濃度成正相關(guān)；因此跨導(dǎo)gm也與摻雜濃度正相關(guān)3.3 JFET等效電路和頻率限制1. 提高fT的方法 減小柵長(zhǎng) 降低柵電容 增加跨導(dǎo) 提高遷移率2. 二維電子氣：2DEG指在兩個(gè)方向上可以自由運(yùn)動(dòng)，而在第三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)受到