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1、 微电子器件原理第7章 MOS场效应晶体管哈尔滨工业大学（威海）微电子中心哈尔滨工业大学（威海）微电子中心哈尔滨工业大学（威海）微电子中心哈尔滨工业大学（威海）微电子中心 罗敏罗敏罗敏罗敏 .minLminL TEL TEL：5687574-8045687574-80417.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构27.1 MOSFET基本工作原理和分类一、MOSFET的基本结构37.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应” 当当VGS=0V时时，漏漏源源之之间间相相当当两两个个背背靠靠背背的的
2、二二极极管管，在在D、S之之间间加加上上电电压压不不会在会在D、S间形成电流。间形成电流。 当栅极加有电压当栅极加有电压0VGSVT时，通过时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流以形成漏极电流ID。47.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基
3、本工作原理57.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理67.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响77.1 MOSFET基本工作原理和分类二、MOSFET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响87.1 MOSFET基本工作原理和分类三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底p型n型S、D区n+区p+区沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向由DS由SD阈值电压VT0VT0VT0，则则也应减去相应电压也应减去相应电压26277.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因
4、素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过费米势（以及功函数）影响通过费米势（以及功函数）影响VT每每2个数量级约个数量级约0.1V(eV)影响不大影响不大真空真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En287.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过场感应结耗尽层空间电荷影响通过场感应结耗尽层空间电荷影响VT体效应系数体效应系数2930衬底杂质浓度越大，衬底杂质浓度越大，其变化
5、对其变化对VT的影响的影响越大，是因为杂质越大，是因为杂质浓度越大，越不易浓度越大，越不易达到表面强反型达到表面强反型31衬底反偏衬底反偏VBS通过通过NA(ND) 影响影响QBmax，从而改变从而改变VT即不同的即不同的 NA下，下，VBS对对VT的影响也不同的影响也不同321.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响331.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响衬底杂质浓度衬底杂质浓度N可以通过可以通过F、Vms及及QBmax影响影响VT，其中影响其中影响最大者为最大者为QBmax，故现代
6、故现代MOS工艺中常用离子注入技术调整工艺中常用离子注入技术调整沟道区局部沟道区局部N来调整来调整VTNs为注入剂量综上所述：综上所述：347.2 MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差ms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响界面态电荷界面态电荷（界面陷阱电荷）（界面陷阱电荷）半导体表面晶格周期中断，存在“悬挂键”（高密度局部能级）。束缚电子带负电荷，俘获空穴则带正电荷。这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态其带电状态与能带弯曲有关，且有放电驰豫时间，应尽量降低其密度35固定氧化物电荷固
7、定氧化物电荷可动离子电荷可动离子电荷电离陷阱电荷电离陷阱电荷位于界面SiO2侧20nm的区域内，密度约1011cm-2，带正电荷。一般认为是界面附近存在未充分氧化的Si离子过剩硅离子及氧空位特点：固定正电荷，不随表面势或能带弯曲程度而变化 与硅掺杂浓度及类型无关，与SiO2膜厚度无关 与生长条件（氧化速率）、退火条件和晶体取向有关起因于进入SiO2层中的Na+、K+、Li+等轻碱金属离子及H+离子特点：室温可动，温度和电场作用可使之移动。X-射线、射线、高能/低能电子束等照射SiO2膜时产生电子-空穴对，若同时存在电场，则电场使电子-空穴分离，正栅压的电场使部分电子移向栅极并泄放，多余空穴在未
8、被硅侧电子补偿时积聚在界面附近形成正电荷层3637上述4种电荷的作用统归于Qox等效电荷电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷由VT、Qox及N的共同作用使器件呈增强型或耗尽型对n-MOS：Qox若较大，则易为耗尽型。欲得增强型，需控制Qox，并适当提高衬底浓度对p-MOS：VT总是负值，易为增强型。欲得耗尽型，需采用特殊工艺或结构，如制作p预反型层，或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3 /SiO2复合栅等。38n当Qox1012cm-2时，即使NA1017cm-3，仍有VT0n当NA1015cm-3时， VT随NA上升明
9、显，且逐渐由负变正n随Qox增大，转变点对应的NA增大 所以，欲获得增强型(VT0)，可以n提高衬底浓度NAn降低氧化层中电荷量Qox397.2 MOSFET的阈值电压三、关于反型程度划分的讨论 在以前的讨论中，以表面势达到2倍费米势，即反型层载流子浓度等于体内多子浓度为表面强反型的标志 实际上，MOS器件工作在不同的栅压下，其反型程度和反型载流子浓度变化规律也不同4041MOS结构中半导体表面电荷密度与表面势的关系4243弱反型区弱反型区dVs/dVGB较大，较大，且近似为常数，而强反且近似为常数，而强反型时斜率变得很小，中型时斜率变得很小，中反型区过渡反型区过渡综上所述：1、Vs=2F时，
10、ns=pB0，但Qn很小，故在前述讨论中忽略是合理的2、 Vs=2F时，Qn很小，以至在中反型区内变化缓慢，其屏蔽作用 和xdmax的真正实现都有较大误差。故当VGB较大时，假定Vs=2F进入强反型，才不会引入太大误差。3、强反型需要Qn的屏蔽作用，使xd xdmax。 Vs=2F时，ns=pB0是以所用衬底的浓度为标准，若NA很低，则ns也将很小，故是相对标准，不能保证屏蔽作用。44457.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线一、MOSFET的电流-电压特性目的：方法：获得IDS随VGS和VDS的变化关系，即4647假设：1.源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端之间的压降可忽
11、略2.反型层中载流子的迁移率n为常数3.沟道电流为漂移电流4.沟道与衬底之间的反向泄漏电流为零5.跨过氧化层而保持反型层电荷的沿 x 方向的电场分量Ex与沟道中使载流子沿沟道长度y方向运动的电场分量Ey无关，且 即满足缓变沟道近似沟道电场y方向变化很小48计算：强反型情况下，离开源端y处，表面感应总电荷面密度Qs(y)沟道电流ID沿沟道y方向产生压降V(y)，此时表面势MOS结构强反型所需栅压其中故表面开始强反型时49此时，场感应结耗尽层中（电离受主）电荷面密度p-n结外加电压p-n结接触电势差则说明强反型后，多余的VGS用于Qn(y)由欧姆定律50n沟MOSFET基本I-V方程51 因为，当
12、VDS很小时，沟道压降影响甚微，沟道中各处电子浓度近似相同，整个沟道近似为一个欧姆电阻，其阻值为：52VDSDSI IDSDSV VGSGSV VGS GS IDsatVGS-VTIDsat非饱和区非饱和区 因为，当VDS很小时，沟道压降影响甚微，沟道中各处电子浓度近似相同，整个沟道近似为一个欧姆电阻， 因为VDS增大，沟道压降V(y)由源到漏上升，使栅绝缘层上压降由源到漏下降，反型层逐渐减薄，QB增加，Qn减小 此时，沟道漏端反型层消失，沟道被夹断（预夹断），漏极电流达最大值Idsat称饱和漏源电流 沟道夹断在y=L点时对应的VDS=VGS-VT，称为饱和漏源电压VDsat=VDsat 夹断
13、点处保持V(y)=VDsat=VGS-VT的沟道压降，并随VDS的增加而向源端移动，夹断点与沟道漏端之间形成夹断区 增加的漏源电压降落在夹断区上，夹断区电场增大，缓变沟道近似不再成立5354关于绝缘层中的电场Eox：在源端在源端y=0，tox两侧压降两侧压降Vox为为VGS(VT)，Eox由栅极指向源极由栅极指向源极随随y增大，增大，V(y)，tox两侧压降为两侧压降为VGS-V(y), Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点，在夹断点，V(y)=VGS-VT(VDsat)， tox两侧压降为两侧压降为VT， Eox由栅极指向沟道区由栅极指向沟道区在夹断点漏端侧某处在夹断点漏端侧某处V
14、(y)=VGS，Vox=0， Eox=0对于耗尽型对于耗尽型nMOSFET，VTVGS，则在夹断点源端侧有则在夹断点源端侧有Eox=0金属栅极SiO2n+n+y0LtoxSDGVGSVGSV(y)0VGSVGSVGSVGS-VTEox=0VDS参见p27155曾经假设沟道载流子迁移率为常数实际上，由于Ex的散射，以及半导体表面存在更多的缺陷和其它散射中心，使沟道载流子迁移率比体内的迁移率低得多另外，迁移率的变化与垂直方向场强Ex密切相关567.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线1、输出特性曲线、输出特性曲线非饱和区非饱和区饱和区饱和区截止区截止区输出特性曲线描
15、绘IDSVDS(VGS)关系曲线分4个区：非饱和区：VDSVdsat,，IDSVDS近似线性关系，可调电阻区饱和区：VDsatVDSBVDS，沟道漏端夹断，IDS达饱和值IDsat截止区：半导体表面没有强反型导电沟道，仅有反向漏电流击穿区：反偏漏-衬结击穿，IDS剧增57图(a)是以衬底电位为参考点，以VGB为参量的输出特性图(b)是以源极电位为参考点，以VGS为参量的输出特性由于参考电位的不同，图(a)相当于图(b)向右平移VSB，即VDB比VDS大VSB， VDB=VDS+VSB同时，VGB=VGS+VSB（左、右两图中对应曲线的沟道导电状况相同）58均以源极为参考电位时，随衬底反偏增大，
16、漏极电流减小均以源极为参考电位时，随衬底反偏增大，漏极电流减小 衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽，电荷增加，反型沟道中衬底反偏增大使半导体表面耗尽层加宽，电荷增加，反型沟道中载流子（电荷）减少，导电能力减小载流子（电荷）减少，导电能力减小计算电流-电压方程时仅考虑了V(y)的作用，未计入VBS597.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线二、MOSFET的特性曲线2、转移特性曲线、转移特性曲线 作作为为电电压压控控制制器器件件，转转移移特特性性表表征征栅栅源源输输入入电电压压VGS对对漏源输出电流漏源输出电流IDS的控制能力的控制能力 与与JFET一样，一样，MOSFET的转移特性可从输
17、出特性曲的转移特性可从输出特性曲线族上得到线族上得到耗尽型MOSFET增强型MOSFET60耗尽型增强型P沟n沟P沟n沟电路符号电路符号转移特性转移特性输出特性输出特性617.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数1、阈值电压阈值电压VT对耗尽型器件，又称对耗尽型器件，又称夹断电压夹断电压；对增强型器件，又称；对增强型器件，又称开启电压开启电压它是通过它是通过VGS的变化，使导电沟道产生的变化，使导电沟道产生/消失的临界电压，是消失的临界电压，是VGS能够：能够：抵消金抵消金-半接触电势差半接触电势差补偿氧化层中电荷补偿氧化层中电荷建立耗尽层电荷（感应建立耗尽层电
18、荷（感应结）结）提供反型的提供反型的2倍费米势倍费米势627.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数2、饱和漏源电流饱和漏源电流IDSS定义：当定义：当VGS=0时的饱和漏源电流。时的饱和漏源电流。对于对于耗尽型耗尽型MOSFET，VGS=0时已有导电沟道。时已有导电沟道。IDSS对应于对应于VGS=0时输出特性曲线饱和区的电流值，或者转移特性时输出特性曲线饱和区的电流值，或者转移特性曲线与纵轴的交点。（不同于曲线与纵轴的交点。（不同于IDsat）可见：可见：IDSS与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟道厚度与原始沟道导电能力有关：宽长比、迁移率、原始沟
19、道厚度(VTns)、Cox 637.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数3、截止漏电流截止漏电流4、导通电阻导通电阻 对于对于增强型增强型MOSFET，VGS=0时，源、漏之间为两背靠背的时，源、漏之间为两背靠背的p-n结，结，VDS作用下，作用下，VGS=0时的时的IDS为截止漏电流。为截止漏电流。 实际上是实际上是p-n结的反向漏电流，对结的反向漏电流，对Si-p-n结主要是势垒产生电流。结主要是势垒产生电流。 工作在非饱和区的工作在非饱和区的MOSFET，当，当VDSVGS-VT时，输出特性是时，输出特性是直线（线性区），沟道的导电能力相当于一个电阻（压控
20、电阻）。直线（线性区），沟道的导电能力相当于一个电阻（压控电阻）。定义：定义：VDS很小时，很小时，VDS与与IDS之比为导通电阻，记为之比为导通电阻，记为Ron.647.3 MOSFET的I-V特性和直流特性曲线三、MOSFET的直流参数5、栅源直流输入阻抗栅源直流输入阻抗RGS6、最大耗散功率最大耗散功率PCM栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。栅源直流绝缘电阻。取决于栅氧化层的绝缘电阻值。一般在一般在109以上。以上。MOSFET输入阻抗远高于输入阻抗远高于BJT和和JFET耗散功率耗散功率PC将转变为热量使器件升温，性能劣化。将转变为热量使器件升温，性能劣化。保证器件正常工作
21、所允许的保证器件正常工作所允许的PC为为PCM，或称最大功耗。或称最大功耗。MOSFET的耗散功率主要耗散在沟道区，特别是夹断区。的耗散功率主要耗散在沟道区，特别是夹断区。6566677.4 MOSFET击穿特性一、漏源击穿一、漏源击穿 1、漏源雪崩击穿、漏源雪崩击穿漏源击穿漏源击穿栅击穿栅击穿雪崩击穿雪崩击穿势垒穿通势垒穿通n漏漏-衬底衬底p-n结雪崩击穿结雪崩击穿n沟道雪崩击穿沟道雪崩击穿n雪崩注入现象雪崩注入现象n雪崩注入现象应用雪崩注入现象应用栅电极覆盖情况栅电极覆盖情况衬底电阻率和结深衬底电阻率和结深氧化层厚度氧化层厚度栅极电压极性和大小栅极电压极性和大小68一、漏源击穿一、漏源击穿
22、 1、漏源雪崩击穿、漏源雪崩击穿n沟道雪崩击穿沟道雪崩击穿（沟道击穿）（沟道击穿） 在夹断区，特别是短沟器件中，VDS在沟道方向上建立较强电场，使沟道中载流子通过碰撞电离和雪崩倍增产生大量电子-空穴对。与沟道载流子同型的载流子汇入沟道电流，导致漏极电流剧增而击穿，相反型号载流子通常被衬底吸收，形成寄生衬底电流的一部分。69n雪崩注入现象雪崩注入现象（热载流子效应）（热载流子效应）漏（源）对衬底的击穿电压蠕变：漏（源）对衬底的击穿电压蠕变：时间约时间约1秒；秒；在在处处ID越大，转移越快；越大，转移越快；在在处降低处降低VD，再加压，直接呈再加压，直接呈现现 ；在在500退火后，重新测试，呈退火
23、后，重新测试，呈现现并转移到并转移到 。此现象由雪崩注入引起：即漏结雪崩过程产生的电子或空穴注入到栅氧化层中，使之带电。即漏结雪崩过程产生的电子或空穴注入到栅氧化层中，使之带电。栅氧化层带电将屏蔽栅电场，使漏极电场减弱。栅氧化层带电将屏蔽栅电场，使漏极电场减弱。这时要达到击穿临界场强，必须提高漏极电压这时要达到击穿临界场强，必须提高漏极电压VD，故表现为击穿电压增大故表现为击穿电压增大击穿电流越大，可能注入的载流子（电荷）越多，漏极击穿电压蠕动越快击穿电流越大，可能注入的载流子（电荷）越多，漏极击穿电压蠕动越快70nSi中电子进入SiO2需越过3.15eV的势垒，越过势垒的概率为2.810-5
24、nSi中空穴进入SiO2需越过3.8eV的势垒，越过势垒的概率为4.610-8n电子比空穴更容易注入电子比空穴更容易注入最终决定注入载流子类型的是栅源之间电场的方向： n沟器件的电场促进空穴的注入 p沟器件的电场促进电子的注入故p沟MOSFET的雪崩注入现象更为显著71n雪崩注入现象的应用（雪崩注入现象的应用（EPROM）浮置栅雪崩注入浮置栅雪崩注入MOS器件（器件（FAMOS）Floating gate Avalanche injection MOS迭栅雪崩注入迭栅雪崩注入MOS器件（器件（SAMOS）Superposed gate Avalanche injection MOS 多晶硅栅被
25、包在SiO2中，形成浮置栅极。当VDS使漏结雪崩时，电子注入浮栅，并逐渐使表面反型而出现导电沟道（写入写入）。 在浮栅SiO2上再做一外栅作为控制栅极，浮栅作为存储栅。雪崩时，在控制栅上加正电压可促进电子的注入，故可在较低漏压下使浮栅存储较多电荷 当用紫外光照射或在控制栅上加较大偏压当用紫外光照射或在控制栅上加较大偏压时，浮栅电子吸收光子能量或在电场作用下，再时，浮栅电子吸收光子能量或在电场作用下，再次越过势垒，通过衬底或外栅释放（次越过势垒，通过衬底或外栅释放（擦除擦除）72一、漏源击穿一、漏源击穿 2、漏源势垒穿通、漏源势垒穿通短沟器件漏源耐压的限制因素之一 VDS作用于n+-p-n+之间
26、（n-MOSFET)，对源n+-p结为正偏，对漏p-n+为反偏。 在短沟道器件中，沟道杂质浓度又较低时，反偏漏p-n+结空间电荷区向源端扩展至与源n+-p结空间电荷区相连时，发生漏、源势垒穿通。 此时，正偏源结注入，反偏漏结收集，电流IDS急剧增大，发生势垒穿通下的漏源击穿。 按单边突变结近似，BVDS下耗尽层宽度等于沟道长度时：737.4 MOSFET击穿特性二、二、MOSFET的栅击穿的栅击穿n当当VGS=BVGS时，栅极下面绝缘层被击穿时，栅极下面绝缘层被击穿n是是不可逆击穿不可逆击穿，一般使栅极与衬底短路而使器，一般使栅极与衬底短路而使器件失效件失效n理论上，栅氧化膜的击穿场强为理论上
27、，栅氧化膜的击穿场强为(510)8106V/cm，且随氧化膜质量而下降且随氧化膜质量而下降n击穿时，击穿点电流密度可达击穿时，击穿点电流密度可达1061010A/cm2，峰值温度峰值温度4000Kn由于栅绝缘层有很高的绝缘电阻，栅电容很小，由于栅绝缘层有很高的绝缘电阻，栅电容很小，栅氧化层很薄，所以，要特别注意栅氧化层很薄，所以，要特别注意MOS器件器件的的栅保护栅保护问题问题n测试和使用时，要十分小心避免静电，存放时使各极短路及使用防静电包装n在器件设计时，在栅输入端引入保护结构747.5 MOSFET频率特性一、一、MOSFET的低频小信号等效电路的低频小信号等效电路 1、低频小信号参数、
28、低频小信号参数+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0IDnMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数m mVGSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数m mnMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数m mVBSI
29、D+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数m mVDSID+ID+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +nMOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）n小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmbn小信号漏端电导小信号漏端电导gdsn电压放大系数电压放大系数m mVGSIDS=c+ - +- +SDGBVDS0VGS0VSB0- +VDS- +75MOSFET的栅跨导的栅跨导gm(跨导）跨导）漏极电流微分增量与栅源电压微分增
30、量之比，表示栅源电压VGS对漏极电流IDS的控制能力与JFET的跨导有相同的意义器件工作在非饱和区时，跨导gm仅随漏极电压VDS线性增大在饱和区中，跨导gms仅随栅源电压VGS线性变化实际MOSFET中的附加串联电阻导致跨导的实际值低于理论值。实际作用在沟道上的有效栅压： 实际起作用的漏源电压：76 两者沟道导电能力随栅源电压变化规律不同。在JFET中是VGS的平方根与沟道厚度关系。 两者VGS的范围也不同。VDSIDSVGS=0VGS0MOSFETJFETMOSFET的跨导非饱和区跨导与VGS、VDS有关饱和区跨导仅与VGS有关非饱和区跨导gm仅随VDS线性增大饱和区，跨导gms仅随VGS线
31、性变化欲使欲使77小信号衬底跨导小信号衬底跨导gmb漏极电流微分增量与衬底偏置电压微分增量之比，表示衬底偏置电压VBS对漏极电流IDS的控制能力背栅：衬底偏置表面耗尽层厚度空间电荷面密度反型层 电荷密度沟道导电能力计及空间电荷（耗尽层）影响的I-V方程为：与空间电荷有关项VDS构成V(y)VBS构成反偏按p-n结电压-电荷规律78半导体器件物理与工艺美施敏p223理想结构中忽略或归入VT关于表面（场感应结）耗尽层电荷关于表面势Vs和2倍费米势-VFB-VFB半导体表面电势和其特征值的关系半导体表面电势和其特征值的关系79从从VT通式（通式（7-22）(y)带入带入（7-52）从从y=0,V(0
32、)=0到到y=L,V(L)=VDS积分，可得积分，可得80QBmax第一项与（第一项与（7-54）相同，表示栅绝缘层电）相同，表示栅绝缘层电容控制的容控制的表面场效应晶体管表面场效应晶体管的电特性的电特性第二项与（第二项与（6-11）相似，表示沟道压降和）相似，表示沟道压降和衬底反偏作用下，场感应结非平衡，耗尽衬底反偏作用下，场感应结非平衡，耗尽层宽度随之变化的电特性，即层宽度随之变化的电特性，即JFET特性特性其中，其中，2FVD;VBSVGS可看作理想可看作理想MOS与与JFET的并联的并联81小信号漏端电导小信号漏端电导gds漏极电流微分增量与漏源电压微分增量之比，表示漏源电压VDS对漏
33、极电流IDS的控制能力 gds随随VDS增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，增大而线性减小，即由非饱和区向饱和区，IDS随随VDS的变化趋缓，以至进入饱和区不再随的变化趋缓，以至进入饱和区不再随VDS变化变化 在线性区，在线性区，VDS很小，忽略后很小，忽略后且正是导通电阻的倒数。且正是导通电阻的倒数。82电压放大系数电压放大系数m m漏源电压微分增量与栅源电压微分增量之比，表示漏极电流IDS不变，漏源电压VDS与栅源电压VGS之间的相对变化关系动态电阻无穷大，但实际动态电阻无穷大，但实际MOSFET的动态电阻都是有限值，因为：的动态电阻都是有限值，因为：1、沟道长度调制效应、沟道长度调制效
34、应 2、漏区电场的静电反馈效应、漏区电场的静电反馈效应83沟道长度调制效应沟道长度调制效应VDSVDsat后，夹断点向源端移动，形成夹断区，使沟道有效长度缩短后，夹断点向源端移动，形成夹断区，使沟道有效长度缩短L减小，则减小，则IDsat增大，说明沟道长度减小，电阻减小。增大，说明沟道长度减小，电阻减小。为有限值为有限值84漏区电场的静电反馈效应漏区电场的静电反馈效应发发自自漏漏区区的的电电力力线线有有部部分分终终止止在在沟沟道道载载流流子子电电荷荷上上，导导致致随随漏漏源源电电压压增增大大，沟沟道道电电子子密密度度增增大大，沟沟道道电电导导增大，漏源电流不完全饱和。增大，漏源电流不完全饱和。
35、 沟沟道道较较短短，衬衬底底浓浓度度较较低低时时，漏漏-衬衬结结和和沟沟-衬衬结结的的耗耗尽尽层随层随VDS很快扩展，很快扩展，85一、一、MOSFET的低频小信号等效电路的低频小信号等效电路 2、低频小信号模型、低频小信号模型SDGBgd86一、一、MOSFET的低频小信号等效电路的低频小信号等效电路 3、交流小信号等效电路、交流小信号等效电路GSDB本征部分本征部分MOSFET小信号参数小信号参数物理模型物理模型SGD0Ly沟道沟道SiO2衬底衬底MOSFET的R、C分布参数模型87SGDMOSFET小信号参数小信号参数等效电路等效电路1、栅极电位变化引起沟道电导变化、栅极电位变化引起沟道
36、电导变化形成交变漏极电流形成交变漏极电流2、输出交变电压在漏导上形成电流、输出交变电压在漏导上形成电流3、栅极电压变化对栅漏电容充放电、栅极电压变化对栅漏电容充放电电流电流88SGDB较完整的较完整的MOSFET小信号等效电路小信号等效电路Cgs栅源之间分布电栅源之间分布电容的等效电容容的等效电容Cgd等效的栅漏电容等效的栅漏电容Rgs对栅源电容充放对栅源电容充放电的等效沟道串联电电的等效沟道串联电阻阻Rs、Rd源、漏区串源、漏区串联电阻联电阻89与与JFET比较：比较：1、Cgd定义相同，在线性区各为定义相同，在线性区各为CG(Cg)的一半的一半2、Cgs定义不同，定义不同，JFET为为CG
37、的一半；的一半；MOSFET为为CG3、饱和区饱和区MOSFET：Cgs占大半，占大半，Cgd0907.5 MOSFET频率特性二、MOSFET的高频特性 1、跨导与频率的关系、跨导与频率的关系 2、截止频率、截止频率fT 3、最高振荡频率最高振荡频率fM 4、沟道渡越时间沟道渡越时间t tCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-等效电路等效电路输出特性及负载线输出特性及负载线输入输入输出输出+VDDRARBRLMOST线性放大器基本电路线性放大器基本电路91饱和，沟道夹断，沟道电阻增大饱和，沟道夹断，沟道电阻增大CgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-92高频
38、时高频时高频下饱和区跨导高频下饱和区跨导932、截止频率、截止频率fTCgsRgsRLrdsgmsug+-+-usuoug+-igid计算计算fT的等效电路（的等效电路（3个电容）个电容）定义：当输入电流定义：当输入电流ig与交流短路输出电流与交流短路输出电流id相等时对应的频率，记为相等时对应的频率，记为fT. 输入回路中，输入回路中，Cgs的的容抗随容抗随f的上升而减小，的上升而减小，使使ig上升，同时上升，同时ug下降，下降，gmug也下降。也下降。取了一级近似取了一级近似94跨导（截止角频率）从电压对电流的关系（电压放大系数）定义标准跨导（截止角频率）从电压对电流的关系（电压放大系数）
39、定义标准截止频率从电流对电流的关系定义标准，要计入截止频率从电流对电流的关系定义标准，要计入3个电容个电容但是，它们都是但是，它们都是Cgs上电压上电压ug随频率的变化关系的反映，仅角度不同，随频率的变化关系的反映，仅角度不同，95寄生参数的影响：寄生参数的影响：3个电容个电容并联在输入端，对并联在输入端，对Cgs起分流作用，帮助起分流作用，帮助Cgs增大增大ig并联在输出端，对输出电流起分流作用，并联在输出端，对输出电流起分流作用，gmsug的一部分流过该的一部分流过该电容，使电容，使id减小减小连接在输入、输出端之间，使输入电容为连接在输入、输出端之间，使输入电容为密勒效应密勒效应963、
40、最高振荡频率、最高振荡频率fMCgsRgsRL=rdsrdsgmsug+-usug+-计算计算fM的等效电路的等效电路igidid/2 当功率增益当功率增益Kp=1时对应时对应的频率为最高振荡频率的频率为最高振荡频率fM 当输入、输出端均共轭匹配，且认为反当输入、输出端均共轭匹配，且认为反馈电容馈电容 时，有最大功率增益。时，有最大功率增益。ug97 可见，随频率上升，可见，随频率上升，KP下降。当下降。当KP=1时，对应的时，对应的定义为定义为最高振荡频率最高振荡频率Cgs：减小，容抗上升，减小，容抗上升，ug增大，使有效输入功率增大增大，使有效输入功率增大gms：增大，同样输入条件下，输出
41、电流增大增大，同样输入条件下，输出电流增大rds：增大，提高负载电阻（输出阻抗），同样电流下，功率提高增大，提高负载电阻（输出阻抗），同样电流下，功率提高Rgs：减小，提高减小，提高ug，提高输入效率提高输入效率984、沟道渡越时间、沟道渡越时间t t指载流子从源扩散区到达漏扩散区所需时间。指载流子从源扩散区到达漏扩散区所需时间。沟道中各处电场不同沟道中各处电场不同忽略了忽略了QBmax随随y的变化的变化991007.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率、提高迁移率 2、缩短沟道长度、缩短沟道长度 3、减小寄生电容、减小寄生电容1017.5 MOSFET频
42、率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率、提高迁移率改改进进工工艺艺：MOST的表面迁移率与SiO2-Si界面及其附近的带电中心、缺陷以及界面平整度密切相关，若采用合理的工艺，以获得低界面电荷、高平整度的优质栅氧化层，将会使表面迁移率大为提高。采采用用高高迁迁移移率率材材料料：最有希望的材料是InP和GaAs。InP薄膜中的电子场效应迁移率的实测值高达7350cm2Vs。GaAs带隙宽，其电子迁移率也很高，然而其相当高的界面态电荷密度又使其应用受到限制。利用Si3N4膜做栅绝缘层可大大降低界面态密度。尽可能采用采用n沟沟MOSFET结构结构，mnmp1027.5 MOSFET频
43、率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 1、提高迁移率、提高迁移率采采用用埋埋沟沟结结构构：利用体内迁移率高于表面迁移率的特点，将导电沟道从表面移至体内。导电沟道层用外延或离子注入法形成。MOST工作时，栅压使沟道最表面耗尽(甚至反型)。栅压变化时表面耗尽层宽度改变，导电沟道截面随之变化，从而调制漏极电流。可见 ， 埋 沟 MOST的 工 作 原 理 与 JFET 或MESFET十分相似。埋沟器件一般工作于耗尽模式，但也可工作于增强模式。1037.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 2、缩短沟道长度、缩短沟道长度Lateral Double Diffused MOSF
44、ETV-Groove MOSFET先后进行先后进行p及及n+扩散，扩散，L取决于取决于两次扩散结深之差两次扩散结深之差轻掺杂漂移区有利于提高漏极轻掺杂漂移区有利于提高漏极耐压耐压1047.5 MOSFET频率特性三、提高MOSFET频率性能的途径 3、减小寄生电容、减小寄生电容105与双极器件相比：nMOSFET为多子器件，因其沟道迁移率随温度上升而下降，在大电流下沟道电流具有负的温度系数。这种电流随温度上升而下降的负反馈效应使MOS器件不存在电流集中和二次击穿的限制问题。n在小信号下，MOS器件的输出电流id与输入电压ug呈线性关系，而双极型器件电流与电压呈指数关系变化。故其可在足够宽的电流
45、范围内用作线性放大器。nMOS器件输入阻抗高，作功率开关时需要的驱动电流小，转换速度快；作功率放大时增益大且稳定性好。nMOSFET的不足之处在于饱和压降及导通电阻都较双极器件大。解决这方面的问题将是发展MOSFET的努力方向。 7.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构1067.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 1、MOSFET的高频功率增益的高频功率增益 2、输出功率和耗散功率、输出功率和耗散功率 3、MOSFET的安全工作区的安全工作区(SOA)1077.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 1、MOSF
46、ET的高频功率增益的高频功率增益CgsRgsRL=rdsrdsgmsug+-usug+-计算计算fM的等效电路的等效电路igidid/2 当当输输入入、输输出出端端均均共共轭轭匹匹配配，且且认认为为反反馈馈电电容容 时时，有有最最大大功功率率增增益。益。计入了源极串联电阻计入了源极串联电阻Rs但仅考虑但仅考虑Rgs上的输入功上的输入功率，故率，故Kpm与与Rs无关无关1087.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 2、输出功率和耗散功率、输出功率和耗散功率MOSFET在甲类状态下运用时，在甲类状态下运用时，输出电压的最大摆幅值为输出电压的最大摆幅值为电流的最
47、大摆幅值为电流的最大摆幅值为1097.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构一、MOSFET的功率特性 3、MOSFET的安全工作区（的安全工作区（SOA）不存在局部电流集中问题不存在局部电流集中问题由：由： 最大漏极电流最大漏极电流 漏源击穿电压漏源击穿电压 最大功耗线最大功耗线组成组成大于双极型器件的安全工作区大于双极型器件的安全工作区1107.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOSFET结构 1、两维横向结构、两维横向结构偏置栅偏置栅MOS结构结构横向横向DMOSFET (LD-MOSFET) 2、三维结构、三维结构垂直漏网栅结构垂直漏网栅结构垂直漏极垂直漏
48、极V-MOST （VV-MOST或简称或简称V-MOS）垂直漏垂直漏UMOS（VUMOS）1117.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOSFET结构 1、两维横向结构、两维横向结构偏置栅偏置栅MOS结构结构延伸漏区提高漏压延伸漏区提高漏压场板结构改善栅边缘电场集中场板结构改善栅边缘电场集中,进一步改善击穿特性进一步改善击穿特性1127.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOSFET结构 1、两维横向结构、两维横向结构横向横向DMOSFET (LD-MOSFET)两次扩散控制形成小两次扩散控制形成小的沟道长度的沟道长度延伸漏区可提高漏压延伸漏区可提高漏压
49、1137.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOSFET结构 2、三维结构、三维结构垂直漏网栅结构垂直漏网栅结构p+衬底衬底n-外延层外延层p+p+p+p+漏极漏极源极源极n+n+p多晶硅多晶硅P+扩散形成垂直漏极扩散形成垂直漏极双层金属化电极结构双层金属化电极结构P区为延伸漏区区为延伸漏区n+区使源与衬底短接区使源与衬底短接网格状结构增大器件宽长比网格状结构增大器件宽长比1147.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOSFET结构 2、三维结构、三维结构垂直漏网栅结构垂直漏网栅结构两两次次扩扩散散控控制制形形成成小小的的沟道长度沟道长度, W/L更大更
50、大n+p-与与源源极极铝铝形形成成源源衬衬短接短接n-外延层为延伸漏区外延层为延伸漏区1157.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOSFET结构 2、三维结构、三维结构垂直漏极垂直漏极V-MOST （VV-MOST或简称或简称V-MOS）垂直结构有利于多单元并联垂直结构有利于多单元并联两沟道并联可增大电流容量两沟道并联可增大电流容量两两次次扩扩散散控控制制形形成成小小的的沟沟道道长长度度腐腐蚀蚀V形形槽槽穿穿过过扩扩散散层层到到n-区区自停止自停止n-延延伸伸漏漏区区可可提提高高漏漏压压,减减小小Cgd1167.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构二、功率MOS
51、FET结构 2、三维结构、三维结构垂直漏垂直漏UMOS（VUMOS）垂直结构有利于多单元并联垂直结构有利于多单元并联两沟道并联可增大电流容量两沟道并联可增大电流容量两两次次扩扩散散控控制制形形成成小小的的沟沟道道长度长度U形形平平底底结结构构使使n-漂漂移移区区(延延伸伸漏漏区区)中中电电流流更更好好地地展展开开,有有更低的导通电阻更低的导通电阻n-延延伸伸漏漏区区可可提提高高漏漏压压,减减小小Cgd1177.6 MOSFET功率特性和功率MOSFET结构三、功率MOS器件的导通电阻 功率器件中，延伸漏区功率器件中，延伸漏区(低掺杂漂移区低掺杂漂移区)引入较大的漏极引入较大的漏极串联电阻，在提
52、高漏压的同时影响器件的功率输出串联电阻，在提高漏压的同时影响器件的功率输出1187.7 MOSFET开关特性一、开关作用开关作用开关作用倒相作用倒相作用延迟时间延迟时间开关时间开关时间 开关特性开关特性1197.7 MOSFET开关特性一、开关作用增强型增强型PMOS管栅漏短接，工作在饱和区管栅漏短接，工作在饱和区1207.7 MOSFET开关特性一、开关作用1217.7 MOSFET开关特性二、电容的影响电容电容是导致输出信号波形相对输入信是导致输出信号波形相对输入信号波形存在延迟和失真的号波形存在延迟和失真的根本原因根本原因 输输入入回回路路电电容容Ci=Cgs+Cgd通通过过信信号号源源
53、内内阻阻和和Rg充充放放电电，使使栅栅压压相相对对信信号号源源电电压压产产生生延延迟迟和和失失真真：Ci充充电电达达到到VT时，时，ID才上升；才上升；Ci放电后，放电后，ID才下降。才下降。 在在所所讨讨论论的的饱饱和和负负载载增增强强-增增强强型型倒倒相相器器中中，输输入入电电容容归归入入上上一一级级的的输输出出电电容中，本级只考虑输出回路电容的影响容中，本级只考虑输出回路电容的影响 本级输出回路的电容归于输出端本级输出回路的电容归于输出端对地电容的影响对地电容的影响1227.7 MOSFET开关特性二、电容的影响 本级输出回路的电容归于输出端本级输出回路的电容归于输出端对地电容的影响，包
54、括：对地电容的影响，包括：1、倒相管、倒相管BG1漏漏-衬衬p-n结电容结电容2、负载管、负载管BG2源源-衬衬p-n结电容结电容3、下一级的输入电容、下一级的输入电容Ci 合称合称对地电容对地电容C地地输出电压输出电压=C地地电压电压BG1由导通到截止，输出电压随由导通到截止，输出电压随C地地放电由放电由“0”到到“1”BG1由截止到导通，输出电压随由截止到导通，输出电压随C地地充电由充电由“1”到到“0”1237.7 MOSFET开关特性三、开关时间 1、截止或关闭时间、截止或关闭时间t关关 2、导通或开启时间、导通或开启时间t开开假设：假设：MOS管本身没有电荷存储效应，管本身没有电荷存
55、储效应，倒相器瞬态特性仅取决于电倒相器瞬态特性仅取决于电路的电容路的电容倒相器的输入电压为矩形脉冲倒相器的输入电压为矩形脉冲倒相管导通时，输出电压为零倒相管导通时，输出电压为零 充电仅通过负载管充电仅通过负载管放电仅通过倒相管放电仅通过倒相管1.实际上也只有结电容充放电存储实际上也只有结电容充放电存储电荷，又归入电容电荷，又归入电容2.有利于确定起始时间有利于确定起始时间3.不考虑饱和压降，便于确定电压不考虑饱和压降，便于确定电压起始和终止边界条件起始和终止边界条件4.不考虑倒相管的泄漏，单一电流不考虑倒相管的泄漏，单一电流容易计算容易计算5.不考虑放电时负载管的电流，便不考虑放电时负载管的电
56、流，便于计算于计算1247.7 MOSFET开关特性三、开关时间 1、截止或关闭时间、截止或关闭时间t关关BG1截止截止（倒相器）（开关）（倒相器）（开关）定义：倒相器由导通跃变到截止的定义：倒相器由导通跃变到截止的关闭时关闭时间间t关关为输出电压的最终稳定值的为输出电压的最终稳定值的10%上升上升到到90%的时间，对输出电压而言，又可称的时间，对输出电压而言，又可称为为上升时间上升时间1257.7 MOSFET开关特性三、开关时间 1、截止或关闭时间、截止或关闭时间t关关BG1截止截止（倒相器）（开关）（倒相器）（开关）某一时刻某一时刻VGS1=0，倒相管倒相管BG1截止，截止，C地地开始通
57、过负载管充电开始通过负载管充电由假设由假设126V1=VDD-VT为常数，是输出电压的为常数，是输出电压的最大值或稳定值最大值或稳定值并且可见，并且可见，VT越小，逻辑摆幅越大越小，逻辑摆幅越大由假设由假设，t=0时，时，uo(0)=0，得积分常数得积分常数a1=11271287.7 MOSFET开关特性三、开关时间 2、导通或开启时间、导通或开启时间t开开假设假设放电仅通过倒相管放电仅通过倒相管BG1导通，导通，C地地通过通过BG1放电放电129P1：BG1截止，截止，BG2导通；导通；C地地充电完成充电完成 VDS1=VDD-VT=VC地地=uo(t)输入矩形脉冲，输入矩形脉冲，BG1栅源
58、电压跃变栅源电压跃变 VGS1VT假设假设,无存储无存储,BG1由工作点由工作点P1跃变至跃变至P2沟道导通，有相应于沟道导通，有相应于VDS1的的IDS1IDS1使使C地地放电放电随随VC地地下降，下降，VDS1减小减小工作点沿输出特性曲线由工作点沿输出特性曲线由P2到到P3再到再到P4P2-P3段为段为BG1的的饱和区饱和区P3-P4段为段为BG1的的非饱和区非饱和区P3点为临界饱和（分界点、夹断点）点为临界饱和（分界点、夹断点） VDS1=VGS1-VT， VGS1-VT=uo(t)导通过程：导通过程：130饱和区：饱和区：流经流经BG1的电流的电流C地地的放电电流的放电电流由假设由假设
59、及电流连续性原理及电流连续性原理 说明饱和区输出电压与时间成线性关说明饱和区输出电压与时间成线性关系，系，恒流对电容充电恒流对电容充电131于是，开启时间中，饱和段部分于是，开启时间中，饱和段部分132非饱和区：非饱和区：1337.8 MOSFET温度特性一、迁移率随温度的变化 MOSFET漏极电流的温度效应主要是由于沟道中载流子的漏极电流的温度效应主要是由于沟道中载流子的有效有效迁移率迁移率n和和阈值电压阈值电压VT与温度有关。因此器件的温度特性将由与温度有关。因此器件的温度特性将由n- T及及VT-T变化关系共同决定变化关系共同决定 MOSFET反反型型层层中中，当当表表面面电电荷荷密密度
60、度1012cm-2时时，电电子子和和空空穴穴的的有有效效迁迁移移率率为为常常数数（不不随随场场强强变变化化），且且等等于体内迁移率的一半。于体内迁移率的一半。 故故随温度上升，迁移率下降，随温度上升，迁移率下降，b b因因子具有负温度系数子具有负温度系数1347.8 MOSFET温度特性二、阈值电压与温度的关系在很宽的温度范围内，在很宽的温度范围内，Qox和和Vms与温度无关与温度无关因因QB0，阈值电压的温度系数与费米势的有相同符号，阈值电压的温度系数与费米势的有相同符号135136EcEvEiT浓度升高浓度升高EF同号同号137即：即： n-MOS的阈值电压随温度的阈值电压随温度升高而下降
61、升高而下降 p-MOS的阈值电压随温度的阈值电压随温度升高而上升升高而上升 且在且在-55+125范围内，范围内，阈值电压随温度的变化基本上阈值电压随温度的变化基本上都是线性的都是线性的1387.8 MOSFET温度特性三、MOSFET主要参数的温度关系1、漏极电流的温度特性、漏极电流的温度特性 漏极电流的温度系数漏极电流的温度系数非饱和区非饱和区0VDSVDsat=VGS-VT当当(VGS-VT)较大时，迁移率的温度系数支配漏极电流的温度特性，较大时，迁移率的温度系数支配漏极电流的温度特性，a a0可选取适当的可选取适当的(VGS-VT)，使漏极电流的温度系数等于零使漏极电流的温度系数等于零
62、零温度系数工作条件零温度系数工作条件1397.8 MOSFET温度特性三、MOSFET主要参数的温度关系2、跨导的温度特性、跨导的温度特性 跨导的温度系数跨导的温度系数3、漏极电导的温度特性、漏极电导的温度特性 漏极电导的温度系数漏极电导的温度系数在线性区，略去在线性区，略去VDS非饱和区非饱和区跨导的温度系数为负值，因其在非饱和区内仅与迁移率的温度系数有关跨导的温度系数为负值，因其在非饱和区内仅与迁移率的温度系数有关在非饱和区，漏极电导与漏极电流有相似的温度特性在非饱和区，漏极电导与漏极电流有相似的温度特性140饱和区饱和区1、漏极电流的温度系数、漏极电流的温度系数2、跨导的温度系数、跨导的
63、温度系数3、漏极电导的温度系数、漏极电导的温度系数 可见，在饱和区，可见，在饱和区，Ids、gms、gds的温度系数都受迁移率和阈值电的温度系数都受迁移率和阈值电压共同影响，因而都存在零温度系数工作点。压共同影响，因而都存在零温度系数工作点。141当当(VGS-VT)较大时，迁移率的温度系数支配漏极电流的温度特性，较大时，迁移率的温度系数支配漏极电流的温度特性，a a0可选取适当的可选取适当的(VGS-VT)2V，使漏极电流的温度系数等于零使漏极电流的温度系数等于零1427.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应前面假设前面假设MOSFET有一个足够长而宽的沟道，因而沿沟道四边的有一个足够长而宽的
64、沟道，因而沿沟道四边的“边边缘缘”效应可忽略，允许假设电场线处处垂直于表面效应可忽略，允许假设电场线处处垂直于表面(即只有沿即只有沿x方向的分方向的分量量)并用并用缓变沟道近似缓变沟道近似对器件进行一维分析。对器件进行一维分析。当沟道当沟道长度小到长度小到可以与源结和漏结的耗尽层宽度相比拟，将有相当一可以与源结和漏结的耗尽层宽度相比拟，将有相当一部分场强线同时具有部分场强线同时具有y和和x两个方向的分量；两个方向的分量；短沟道短沟道当沟道当沟道宽度窄到宽度窄到比栅下耗尽层深度大得不太多时，则将出现比栅下耗尽层深度大得不太多时，则将出现y、z两个两个方向的电场分布；方向的电场分布；窄沟道窄沟道对
65、于又短又窄的沟道，将会出现对于又短又窄的沟道，将会出现y、x、z三维方向的电场。三维方向的电场。上述一维的结论将不再适用。上述一维的结论将不再适用。1437.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应二维和三维的分析可借助于计算机用数值方法来进行。这种方法虽二维和三维的分析可借助于计算机用数值方法来进行。这种方法虽然精确，但不能提供一个能用于有效计算的简单模型，因此许多分析然精确，但不能提供一个能用于有效计算的简单模型，因此许多分析计算还是靠利用经验近似和半经验方法加以简化来完成的。计算还是靠利用经验近似和半经验方法加以简化来完成的。在分析具体问题时，为了提供一个能用于有效计算的简单模型，常在分析具体
66、问题时，为了提供一个能用于有效计算的简单模型，常常常将多维的问题分解成相对独立的简单因素分别进行研究后再进行组将多维的问题分解成相对独立的简单因素分别进行研究后再进行组合合。虽然这样做可能有些不够严密精确，但却是很有用的。虽然这样做可能有些不够严密精确，但却是很有用的。1447.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应在实际器件中，遇到最多的情况是沟道变短后所带来的一系列问题，在实际器件中，遇到最多的情况是沟道变短后所带来的一系列问题，如：如：阈值电压随沟道长度的减小而下降；阈值电压随沟道长度的减小而下降；沟道长度缩短后，漏源间高电场使迁移率减小，跨导下降。或者沟道长度缩短后，漏源间高电场使迁移率减
67、小，跨导下降。或者沟道穿通出现空间电荷限制电流；沟道穿通出现空间电荷限制电流；弱反型漏电流将随沟道长度缩小而增加，并出现夹不断的情况。弱反型漏电流将随沟道长度缩小而增加，并出现夹不断的情况。这些偏离了长沟道器件特性的种种现象总称为这些偏离了长沟道器件特性的种种现象总称为短沟道效应短沟道效应。1457.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应一、阈值电压的变化1、短沟道效应、短沟道效应也称也称poon-yau 模型模型 在长沟器件中，忽略了源、漏在长沟器件中，忽略了源、漏端边缘效应，栅极控制的空间电荷端边缘效应，栅极控制的空间电荷区为区为矩形区矩形区。此时栅下空间电荷区电荷总量：此时栅下空间电荷区电荷
68、总量：相应的阈值电压：相应的阈值电压：1467.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应一、阈值电压的变化1、短沟道效应、短沟道效应也称也称poon-yau 模型模型 实际上，栅极控制的空间电荷实际上，栅极控制的空间电荷区为区为梯形区梯形区。此时栅下空间电荷区电荷总量：此时栅下空间电荷区电荷总量： 按栅下单位面积的平均电荷面按栅下单位面积的平均电荷面密度计算，则减小至：密度计算，则减小至：1477.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应一、阈值电压的变化1、短沟道效应、短沟道效应也称也称poon-yau 模型模型 可见，随着沟道长度的缩短，可见，随着沟道长度的缩短，栅下电荷面密度减小愈加明显。栅下电荷面
69、密度减小愈加明显。由简单几何模型：由简单几何模型：xdmaxr2 当近似认为源、漏结空间电荷当近似认为源、漏结空间电荷区宽度与栅下耗尽层宽度相等时：区宽度与栅下耗尽层宽度相等时：1487.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应一、阈值电压的变化1、短沟道效应、短沟道效应也称也称poon-yau 模型模型xdmaxr2相应的阈值电压：相应的阈值电压：阈值电压的漂移量：阈值电压的漂移量：149 某某n沟沟MOSFET阈值电压漂移量阈值电压漂移量随沟道长度的变化如图所示随沟道长度的变化如图所示当当VBS=0V时，测量值与理论值符合时，测量值与理论值符合当当VBS=-4V时，偏差较大时，偏差较大 衬底反偏
70、使衬底反偏使xdmax增大，短沟效应增大，短沟效应更显著（严重），用更显著（严重），用poon-yau模型也模型也有较大误差，而应用二维方法求解。有较大误差，而应用二维方法求解。 问题在于，当问题在于，当xdmax增大后，可控电荷的差别不再简单地为增大后，可控电荷的差别不再简单地为矩形与梯形面积之差。漏、源空间电荷区的影响随矩形与梯形面积之差。漏、源空间电荷区的影响随xdmax的增加的增加不象不象poon-yau模型那样大，说明该模型也仅适用于较弱的短沟模型那样大，说明该模型也仅适用于较弱的短沟道效应的情况。道效应的情况。150xdmaxr2 问题在于，当问题在于，当xdmax增大后，可控电荷
71、的差别不再简单地为增大后，可控电荷的差别不再简单地为矩形与梯形面积之差。漏、源空间电荷区的影响随矩形与梯形面积之差。漏、源空间电荷区的影响随xdmax的增加的增加不象不象poon-yau模型那样大，说明该模型也仅适用于较弱的短沟模型那样大，说明该模型也仅适用于较弱的短沟道效应的情况。道效应的情况。1517.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应一、阈值电压的变化2、窄沟道效应、窄沟道效应 在在沟沟道道宽宽度度方方向向，耗耗尽尽层层向向两两侧侧延延伸伸，使使栅栅极极实实际际控控制制的的电电荷荷量量超超过过长长沟沟模模型型的的QBmax，对对阈阈值值电电压压的影响刚好与短沟道效应相反。的影响刚好与短沟
72、道效应相反。表面耗尽层的总电荷量：表面耗尽层的总电荷量：152 强反型时，按栅下耗尽层平均单位强反型时，按栅下耗尽层平均单位面积有效电荷量：面积有效电荷量：相应的阈值电压：相应的阈值电压：窄沟道效应与短沟道效应对阈值电压的影响相反窄沟道效应与短沟道效应对阈值电压的影响相反随着沟道长度和宽度的增大，二者影响减弱随着沟道长度和宽度的增大，二者影响减弱1537.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应二、漏特性及跨导的变化在长沟道器件中在长沟道器件中，I IDSDS及及g gm m均与均与L L成反比成反比 在在短短沟沟道道器器件件中中，L很很短短，沟沟道道内内漂漂移移电电场场Ey将将随随漏漏源源电电压压
73、VDS的增加而迅速上升。的增加而迅速上升。 类类似似于于MESFET的的短短栅栅速速度度饱饱和和，当当VDS增增加加到到漏漏端端电电场场达达到到载载流流子子速速度度饱饱和和临临界界场场强强Ec（2104V/cm）时时，漏漏端端载载流流子子达达到到速速度度饱和，从而使漏极电流达到饱和值，而沟道未夹断。饱和，从而使漏极电流达到饱和值，而沟道未夹断。 反映在输出特性曲线提前拐弯：反映在输出特性曲线提前拐弯：VDSVVDsat , IDSV IDsat 1540yy1L 设在沟道中设在沟道中y1处达到处达到Ec，则则0y1和和y1L分为速度不饱和区和速度饱和区两分为速度不饱和区和速度饱和区两部分部分1
74、55其中其中VDS1为为y1点电位及点电位及0y1间电压间电压V(y1)根据电流连续原理，在根据电流连续原理，在y1处两电流相等，可解出处两电流相等，可解出VDS1156可见，漏端速度饱和时，漏极电流与可见，漏端速度饱和时，漏极电流与VDS无关而达到饱和无关而达到饱和但此电流饱和但此电流饱和仅由速度饱和引起仅由速度饱和引起，沟道并未夹断，故，沟道并未夹断，故且此时且此时漏极电流不再反比于沟道长度漏极电流不再反比于沟道长度 L速度饱和时的跨导：速度饱和时的跨导：速度饱和时速度饱和时故故gmVgms，且，且gmV随随L的缩短而下降的缩短而下降另一种讨论方法是考虑迁移率调制效应，象另一种讨论方法是考
75、虑迁移率调制效应，象JFET那样那样1577.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应二、漏特性及跨导的变化 可可见见，当当L很很短短时时，漏漏端端载载流流子子速速度度饱饱和和，漏漏电电流流饱饱和和，跨导跨导gmV也变成与也变成与VDS、VGS、L均无关的饱和值均无关的饱和值 L再减小，可能出现沟道穿通。再减小，可能出现沟道穿通。1587.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应二、漏特性及跨导的变化 包含六种效应的组合模型的计包含六种效应的组合模型的计算结果和实测值，包括：算结果和实测值，包括：短沟道效应短沟道效应窄沟道效应窄沟道效应速度饱和效应速度饱和效应VDS对阈值电压的影响对阈值电压的影响有效迁移
76、率与垂直电场的相关性有效迁移率与垂直电场的相关性饱和区的沟道长度调制效应饱和区的沟道长度调制效应1597.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应三、弱反型区的亚阈值电流亚阈值电流亚阈值电流 ：VGSVT时，器件处于弱反型状态的漏极电流时，器件处于弱反型状态的漏极电流从转移特性曲线可以看出：强反型导电到亚阈值导电是连续过渡的。从转移特性曲线可以看出：强反型导电到亚阈值导电是连续过渡的。亚阈值电流对器件的影响：亚阈值电流对器件的影响： 1.增大截止漏极电流增大截止漏极电流 2.开关特性变坏开关特性变坏 3.增大动态功耗增大动态功耗 4.开关电路动态噪声容限开关电路动态噪声容限 5.动态电路结点电平的保
77、持动态电路结点电平的保持 6.信号失真以及噪声信号失真以及噪声弱反型状态：弱反型状态：160 无论长沟或短沟无论长沟或短沟MOSFET，ID并不在并不在VGSVT时突然截止，时突然截止，VGS3kT/q时时，长长沟沟器器件件的的亚亚阈阈值值电电流流应应与与VDS无无关，而随栅压增加呈指数上升。关，而随栅压增加呈指数上升。图中：图中：L=7m mm时，时，VDS影响已存在，但影响已存在，但不明显不明显L=3m mm时，亚阈值区两时，亚阈值区两VDS差别差别明显，亚阈值明显，亚阈值IDS明显增大明显增大L=1.5m mm时，沟道不能夹断，时，沟道不能夹断，VGS难以控制难以控制IDS，丧失长沟特性
78、丧失长沟特性 总之，短沟道效应使总之，短沟道效应使亚阈值电流增大，漏极电流随栅压变化减小亚阈值电流增大，漏极电流随栅压变化减小（跨导减小），且漏极电流一直随漏极电压增加而增加，甚至夹不断。（跨导减小），且漏极电流一直随漏极电压增加而增加，甚至夹不断。162短沟道对亚阈值电流的影响短沟道对亚阈值电流的影响 根根据据对对MOSFET亚亚阈阈值值区区电电流流的的讨讨论论，当当VDS3kT/q时时，长长沟沟器器件件的的亚亚阈阈值值电电流流应应与与VDS无无关，而随栅压增加呈指数上升。关，而随栅压增加呈指数上升。 在在指指数数坐坐标标中中，IDS与与VGS成成线性关系。线性关系。 当当衬衬底底浓浓度度增
79、增大大时时，短短沟沟道道效应的影响减弱。效应的影响减弱。 总之，短沟道效应使总之，短沟道效应使亚阈值电流增大，漏极电流随栅压变化减小亚阈值电流增大，漏极电流随栅压变化减小（跨导减小），且漏极电流一直随漏极电压增加而增加，甚至夹不断。（跨导减小），且漏极电流一直随漏极电压增加而增加，甚至夹不断。163 由于源、漏耗尽区的影响，使由于源、漏耗尽区的影响，使阈值电压减小的同时，栅控灵敏度阈值电压减小的同时，栅控灵敏度下降。下降。 当两耗尽区相碰并互相重叠时，当两耗尽区相碰并互相重叠时，沟道电位最低点由原来的半导体表沟道电位最低点由原来的半导体表面移至衬底内部某处，电流密度的面移至衬底内部某处，电流密
80、度的最高点移入半导体内部。最高点移入半导体内部。IDVDSVGS=VTVGS3kT/q时，时，IDS与与VDS无关，否则，为短沟特性无关，否则，为短沟特性2、漏极电流与沟道长度的关系、漏极电流与沟道长度的关系 长沟器件中，长沟器件中，IDS与沟道长度的倒数成线性关系，否则为短沟特性与沟道长度的倒数成线性关系，否则为短沟特性 规定：规定：1、IDS因短道沟效应偏离因短道沟效应偏离IDS1/L的线性关系的的线性关系的10%2、VGS=VT时，两不同时，两不同VDS对应的对应的IDS之差增大为之差增大为IDS的的10% 对应的沟道长度为对应的沟道长度为(保持长沟特性的保持长沟特性的)最小沟道长度，最
81、小沟道长度，Lmin165具有长沟道特性的最小短沟道长度具有长沟道特性的最小短沟道长度:经验公式经验公式适用范围适用范围1667.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应五、短沟道高性能器件结构举例1、按比例缩小、按比例缩小MOSFETHMOS (High performance MOS)FET结构尺寸结构尺寸：均缩小：均缩小K倍，相对大小不变，使得短沟不短。倍，相对大小不变，使得短沟不短。K比例因子比例因子 同时，衬底浓度增大同时，衬底浓度增大K倍，使耗尽层宽度缩小倍，使耗尽层宽度缩小K倍倍 加上适当的衬底反偏使强反型的表面势也缩小加上适当的衬底反偏使强反型的表面势也缩小K倍倍电特性的变化电特性的
82、变化： 为保证源、漏间电场不变，栅源、漏源电压均缩小为保证源、漏间电场不变，栅源、漏源电压均缩小K倍倍K-1KK-1K-1随随NB增加而变化，但大体相抵增加而变化，但大体相抵缩小缩小K倍倍阈值电压阈值电压167漏极电流漏极电流K-1K-1K-1K-1K-1K-1K-2缩小缩小K倍倍器件参数缩小的比例器件参数缩小的比例 实际上，器件尺寸缩小受到一些限制：如寄生串联电阻，金实际上，器件尺寸缩小受到一些限制：如寄生串联电阻，金属化电极的电迁徙，衬底反偏对属化电极的电迁徙，衬底反偏对VT的影响以及浅结、细线条和薄的影响以及浅结、细线条和薄氧化层等工艺问题。氧化层等工艺问题。1687.9 MOSFET短
83、沟道和窄沟道效应五、短沟道高性能器件结构举例2、双注入、双注入HMOSFET（双注入高性能（双注入高性能MOSFET）P1控制控制VT，P2控制穿通控制穿通VDS注注入入区区足足够够浅浅，漏漏结结耗耗尽尽层层可可深深入入到到衬衬底底而而展展宽宽，漏漏极极电电容容较小。较小。结结深深很很小小，当当L较较小小时时，短短沟沟效应也不明显。效应也不明显。1697.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应五、短沟道高性能器件结构举例3、双扩散、双扩散MOSFET-DMOS (Double diffused MOS)FET与双扩散功率与双扩散功率MOSFET结构相似结构相似利用硼比磷扩散更快，决定利用硼比磷扩散
84、更快，决定L沟道杂质分布由源到漏逐渐降低沟道杂质分布由源到漏逐渐降低其最大的其最大的NAmax决定决定VT（漏端先反型，源端后反型）漏端先反型，源端后反型）延伸漏区使延伸漏区使L随漏压变化小随漏压变化小源、漏耗尽区对源、漏耗尽区对L影响小影响小1707.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应五、短沟道高性能器件结构举例4、DVMOS(DIVMOSFET）图图7-80 DVMOSFET结构结构与功率与功率VMOS相似。变成了平面结构，缩短了沟道长度相似。变成了平面结构，缩短了沟道长度提高了穿通电压提高了穿通电压双离子注入侧面双离子注入侧面V形槽形槽MOSFET1717.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应五、短沟道高性能器件结构举例5、UMOS(U-shaped notch MOS）FET精确控制腐蚀窗口宽度和精确控制腐蚀窗口宽度和结深可以获得短沟道结深可以获得短沟道源、漏耗尽区向衬底纵向源、漏耗尽区向衬底纵向延伸，对沟道长度影响小延伸，对沟道长度影响小源、漏区与栅极自对准，源、漏区与栅极自对准，加之侧壁厚氧化层使栅漏加之侧壁厚氧化层使栅漏覆盖电容很小。覆盖电容很小。1727.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应五、短沟道高性能器件结构举例6、四极、四极MOSFET双栅结构双栅结构G1下沟道长度控制提高工作频率下沟道长度控制提高工作频率G2下沟道长度控制穿通电压下沟道长度控制穿通电压173
