微电子器件原理-第7章长沟道MOSFETs.pptx

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1、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

2、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VDS>0<0IDS方向由DS由SD阈值电压VT<0VT>0VT>0VT<0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

3、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)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]。（Ey<

4、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)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：Ids>0；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)PAO和SAH’s双积分把（10）式用n(x,y)表示。由（1）式(1

5、1)把（11）式代入（7）式得：(12)把（2）式代入（12）式然后代入（10）式得：(13)PAO和SAH’s双积分（2.180）由和（2.180），（2）式得：（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：（15）硅界面整个电荷密度为[由（2.180）得]：（16）薄层电

6、荷近似反型层电荷密度：把（17）式代入（10）式并积分得：（17）（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。线性区特性，典型值为0.6—0.9V。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。低漏电压时的Ids--Vg关系曲线阈

7、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=1Cdm：在S=2B时的体耗尽电容（22）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Vd

8、sat时有效，在这个范围之外，电流仍为饱和电流。（20）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：反型层电荷密度与准费米