微电子器件原理-第7章长沟道MOSFETs

第七章长沟道MOSFETs（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）7.1MOSFETs的基本工作原理7.2漏电流模型7.3MOSFETs的I-V特性7.4亚阈特性7.5衬底偏置效应和温度特性对阈值电压的影响7.6MOSFET沟道迁移率7.7MOSFET电容和反型层电容的影响7.8MOSFET的频率特性7.1MOSFETs的基本工作原理MOSFET器件三维结构图四端器件：源（S）；漏（D）；栅（G）；衬底（B）N沟：p型衬底，源端用离子注入形成n+；P沟：n型衬底栅电极：金属；重掺杂多晶硅。氧化层：热氧化硅隔离：场氧化理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(1)理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(2)理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(3)理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(4)p-MOS电容接近硅表面的能带图MOSFET的四种类型及符号类型N沟MOSFETP沟MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底PNS、D区N+P+沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向由DS由SD阈值电压VT0VT0VT0VT0电路符号MOSFET符号7.2漏电流模型7.2.1本征电荷密度与准费米势的关系7.2.2缓变（渐变）沟道近似7.2.3PAO和SAH’s双积分MOSFET器件剖面图以N沟增强型MOSFET为例x=0在硅表面，指向衬底，平行于栅电极；y，平行于沟道，y=0在源端；y=L在漏端，L：沟道长度(x,y)：本证势；能带弯曲V(y)：在y处电子的准费米势,与x无关；V(y=L)=Vds本征电荷密度与准费米势的关系由方程（2.150）和（2.187）知：(1)(2)表面反型时，（2.190）为：(3)最大耗尽层宽度：(4)]/)(exp[),(2kTVqNnyxnai]})1([)1{(2)(),(//22/22kTqeeNnkTqekTNdxdyxEkTqkTqVaikTqSiaByVy2)(),0(aBSidmqNyVyW]2)([2)(缓变（渐变）沟道近似缓变（渐变）沟道近似：电场在y方向（沿沟道方向）的变化[分量]远远小于沿x方向（垂直于沟道方向）的变化[分量]。（EyEx）有了这个假设后Poisson’s方程可以简化为一维形式。空穴电流和产生和复合电流可以忽略。电流连续方程只应用于y方向的电子。有了上述两个假设后，任一点的漏源电流是相同的。由方程（2.45），（x，y）处的电子电流为：(5)dyydVyxnqyxJnn)(),(),(MOSFET器件剖面图缓变（渐变）沟道近似V(y)定义为准费米势；（5）式包括了漂移和扩散电流密度。电流为：(6)反型层底部=B定义：Ids0；漏源电流在-y方向单位栅面积反型层电荷：(7)（6）是变为：(8)上式两边乘以dy并积分得：(9)(10)iixeffxndsdxyxndyydVqWdxdyydVyxnqWyI00),()()(),()(ixidxyxnqyQ0),()()()()()()(VQdyydVWyQdyydVWyIieffieffds)(])([00ydVVQWdyIVdsieffLds)(])([0ydVVQLWIVdsieffdsPAO和SAH’s双积分把（10）式用n(x,y)表示。由（1）式(11)把（11）式代入（7）式得：(12)把（2）式代入（12）式然后代入（10）式得：]/)(exp[),(),(2kTVqNnVnyxnaiSBBSidVEkTVqNnqdddxVnqdxyxnqyQaixi),(]/)(exp[)/(),(),()(20dVdVEkTVqNnLWqIVdsaieffdsSB)),(]/)(exp[)/((02(13)PAO和SAH’s双积分（2.180）由和（2.180），（2）式得：oxSSfbgCQVV2/1/)(22][2kTVqaioxaSiSfboxSSfbgSeNnkTqCkTNVCQVV（14）第3节MOSFETI-V特性薄层电荷近似线性区特性饱和区特性夹断点和电流饱和pMOSFETI-V特性薄层电荷近似薄层电荷近似：假设所有的反型层电荷均位于硅表面薄层内，反型层内没有电势降和能带弯曲。耗尽层近似被应用于体耗尽层。一旦反型，表面势钉扎在S=2B+V(y)，由（4）式，体耗尽层电荷密度：]2[2BaSidmadVqNWqNQ（15）硅界面整个电荷密度为[由（2.180）得]：)2()(VVVCVVCQBfbgoxSfbgoxS（16）薄层电荷近似反型层电荷密度：把（17）式代入（10）式并积分得：]2[2)2(BaSiBfbgoxdSiVqNVVVCQQQ（17）]})2()2[(322)22{(2/32/3BdsBoxaSidsdsBfbgoxeffdsVCqNVVVVLWCI（18）线性区特性在Vds较小时，展开（18）式并只保留低阶项（一阶项）：（19）Vt是阈值电压：（20）阈值电压的物理意义：金属栅下面的半导体表面呈强反型，从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。表面势或能带弯曲达到2B，硅电荷等于这个势的体耗尽层电荷时的栅电压。dstgoxeffdsoxBaSiBfbgoxeffdsVVVLWCVCqNVVLWCI)()42(oxBaSiBfbtCqNVV42线性区特性，典型值为0.6—0.9V。VgVt时，MOSFET中电流很小，叫截止区；VgVt时，由（19）式知，MOSFET像一个电阻一样。方块电阻为：，受栅电压调制。iaBnNqkTln22低漏电压时的Ids--Vg关系曲线阈值电压的确定：画低漏电压时的Ids与Vg的关系曲线，由外推法得到。注意：Ids与Vg的关系曲线是非线性的，这是因为薄层电荷近似在这个区域不再是有效的。饱和区特性在Vds较大时，展开式中的二阶项不能忽略，（18）式为：（非饱和区）（21）这里：m：体效应系数，典型值：1.1~1.4；当体电荷效应可以忽略时，m=1Cdm：在S=2B时的体耗尽电容（22）]2)[(2dsdstgoxeffdsVmVVVLWCIdmoxoxdmoxBaSiWtCCCqNm3114/1饱和区特性阈值电压由（20），（22）式得出（21）式表明，当Vd增加时，在最大值或饱和值达到之前，Ids是Vds的抛物线函数。当时饱和区（23）方程（18）和（21）当VdsVdsat时有效，在这个范围之外，电流仍为饱和电流。dmSidmWC/oxoxoxtC/3/oxSioxBaSiBfbtCqNVV42（20）BfbtmVV2)12(mVVVVtgdsatds/)(mVVLWCItgoxeffds2)(2长沟MOSFETIds—Vds关系曲线夹断点和电流饱和当V2B时，（17）式为：（展开17时只保留前两项）（24）此式所画曲线如图下页所示。源端：漏端：)()(mVVVCVQtgoxi)()0(tgoxiVVCVQ)()(dstgoxdsimVVVCVVQ反型层电荷密度与准费米势的关系当Vds较小时（线性区），漏端反型层电荷密度比源端的稍小；当Vds增加时（栅电压固定），电流增加；漏端反型层电荷密度减少；当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时，漏端反型层电荷密度减少到0；线性区（低漏电压)开始饱和时饱和时漏端表面沟道消失。叫夹断。饱和区外，沟道长度开始减小当VdsVdsat时，夹断点向源端移动，但漏电流基本不变。这是因为夹断点的电压仍为饱和电压。夹断点和电流饱和由（9）式：（25）夹断后器件的特性可以把上式从0到y积分得到（26）上式积分利用了（24）式；把（21）代入（26）得：（27）由（24）式：dVVQWdyIVdsatieffLds00)]([]2)[()]([20VmVVVWCdVVQWyItgoxeffVieffds22)(2)()(dsdstgtgtgVLyVmVVLymVVmVVyV)(yVmVVmCQtgoxi准费米势与源漏之间距离的关系当Vds较小时，源漏之间的V(y)几乎是线性的；当Vds增加时，由于电子的准费米能级降低，漏电荷密度减小；由于dV/dy增加，使电流基本保持不变；当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时，Qi(y=L)=0，dV/dy=，这意味着电场沿y方向的变化大于沿x方向的变化，渐变近似不再适用。从夹断点到漏端要解二维Poisson’s方程。Vds2B时，方程（17）Qi=0和方程（18）dIds/dVds=0，并且V=Vdsat得：（28）)2(22222oxaSifbgoxaSioxaSiBfbgdsatCqNVVCqNCqNVVV计算的Ids—Vds关系曲线实线（3.18）；点划线：（3.21）pMOSFETI-V特性MOSFET的特性曲线第4节亚阈特性漏电流的漂移和扩散分量亚阈区电流表达式亚阈区斜率MOSFET工作的三个区域MOSFET器件一般可分为三个区域：线性区；饱和区；亚阈区弱反型导电亚阈也叫弱反型导电：当VgsVt（VGSVt）时源漏之间的漏电，成为弱反型导电或次开启。弱反型导电原因一般情况下，VgsVt时器件的电流为“0”。但在某些重要应用中，非常小的电流也是不能忽略的。在低压、低功耗应用中，亚阈特性很重要。如：数字逻辑和存储电路原因：当VGSVt时表面处就有电子浓度，如公式（11）所示。即当表面不是强反型时就存在电流。主要是源与沟道之间的扩散电流。VGSVon为弱反型；VGSVon为强反型（11）]/)(exp[),(),(2kTVqNnVnyxnai漏电流的漂移和扩散分量强反型时：以漂移电流为主；弱反型时：源与沟道之间的扩散电流弱反型时，漂移和扩散电流均包含在PaoandSah’s双积分公式（13）中电流连续是指漂移和扩散电流之和连续。换句话说，在任一点漂移电流和扩散电流的比例很可能变化。在低漏电压下，可以用方程（14）中隐含的(V)关系，分离漂移电流和扩散电流。dVdVEkTVqNnLWqIVdsaieffdsSB)),(]/)(exp[)/((02亚阈区电流表达式（35）或（36）)1()(4/)/)(2kTqVmkTVtVgqBaSieffdsdseeqkTqNLWI)1())(1(/)/)(2kTqVmkTVtVgqoxeffdsdseeqkTmLWCI亚阈区斜率当Vds是几倍kT/q时，扩散电流占统治地位，漏电流与漏电压无关，只与栅电压有关。斜率定义（图3.10）（37）由方程（22）知，由方程（22）知：S的典型值为：70—100mV/decade，如果Si-SiO2界面陷阱密度较高，斜率很可能比方程（37）给出的大。)1(3.23.2))(log(110oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdSoxdmCCm/1第5节衬底偏置效应和温度特性对阈值电压的影响体效应阈值电压的温度特性体效应MOSFET衬底偏置效应等效电路体效应（17）方程（17）变为：（38）这里：V是沟道中的任一点与衬底之间的反向偏压。对Qi从源（Vbs）到漏（Vbs+Vds）积分得电流的表达式为：（（18）是变为）（18）（39）]2[2)2(BaSiBfbgoxd