半导体器件物理2008-第四章VIP

1、半导体器件物理MOSFET （三）半导体器件物理 VGSVTVDSat饱和电压线性区饱和区I Z C(VV )2DSat2LnOXGSTI Z CV V V 1 V 2 DLnOXGsTDS2DS半导体器件物理亚阈值特性理想特性： VGS VT 时，ID=0实际情况： 仍有微小电流存 在，称为亚阈值电流IDsub半导体器件物理亚阈值特性下图为FVS漂移电流。亚阈值区导电与BJT中基区的电流传输有些相似。半导体器件物理亚阈值特性公式推导：输运方程（扩散电流漂移电流）：沟道总电流积分得到：求Qn的表达式利用能带图，得到方程求解Qn利用半导体器件物理亚阈值特性求出上述两项，就可以推导出亚阈值电流的表

2、达式：描述亚阈值特性的参数：导通电压：从强反型到弱反型过渡的VGS半导体器件物理亚阈值特性 dQbC表面耗尽层电容dDs AN由sqs NAC2Ds半导体器件物理亚阈值特性栅电压摆幅S（亚阈值斜率）栅电压摆幅S是表征亚阈值区的一个重要参数物理意义：器件从导通电流减小到截止电流时所要求的栅压变化量栅电压摆幅也称为亚阈值斜率，它的定义为亚阈值电流每变化10倍（一个数量级）所要求的栅压变化量S是表征MOSFET开关特性的最佳参量， S越小器件的开关特性越好半导体器件物理亚阈值特性可以利用沟道区电容分压电路来得到，见下图半导体器件物理亚阈值特性降低S的方法： 降低tOX ；降低衬底掺杂浓度Nsub；

3、降低衬偏电压|VBS|；降低界面陷阱密度Dit理论上，S的最小值： Smin= 2.3kT/q 60(mV/dec)S的典型值在60mV/dec到180mV/dec之间半导体器件物理推导萨方程的基本假定推导萨方程的前提：十个基本假定衬底均匀掺杂长、宽沟器件（可以不考虑边缘效应）反型层内载流子迁移率等于常数不考虑强场迁移率调制效应。实际上，由于各点电场不一样，迁移率并不等于常数。SiO2层电荷面密度QOX 等于常数忽略源、漏区体电阻及电极接触电阻上的电压降忽略源、漏PN结及场感应结的反偏漏电流7.强反型近似成立（即三个远大于，三个不变）沟道导通时漂移电流远大于扩散电流缓变沟道近似（GCA）成立半

4、导体器件物理迁移率修正在推导理想的IV 特性时，假定迁移率为常数。实际情况：迁移率常数沟道载流子的漂移速度随电场强度的变化而变化栅电压的影响（垂直于Si/SiO2界面的电场Ex）沟道载流子抵达漏端时迁移率下降（漏端速度饱和，y方向电场强度Ey 的影响）半导体器件物理表面迁移率修正考虑栅电压的影响（Ex ）界面散射导致迁移率下降半导体器件物理表面迁移率修正下面考虑在较低时，栅压引起的迁移率退化。一个适合于电路模拟并与实验数据吻合较好的迁移率模型为n:低栅压电场下的表面迁移率，：散射常数 约为0.025 cm / V反型沟道上垂直方向场强的平均值半导体器件物理表面迁移率修正半导体器件物理表面迁移率

5、修正MOFET电流：为简单起见，假定沟道电位V(y)随y线性变半导体器件物理表面迁移率修正半导体器件物理表面迁移率修正简化处理系数，它的值在0.030.1/V称为之间，在应用中通则：略式中的VDS项，半导体器件物理表面迁移率修正上式已广泛应用于电路模拟软件中，它还有一种更简化的形式对于n沟器件，b非常小(0.005/V)，略。对p沟器件，b可以用来改善I-V数据的拟合。令b0半导体器件物理频率特性MOSFET 用于线性放大电路时，需要用MOSFET的小信号等效电路来对放大电路进行数学分析。小信号等效电路应包括能反映频率特性的电容、电阻和电流源建立方法：先建立低频小信号模型考虑电荷贮存效应，加入

6、电容加入寄生效应基本假定：准静态近似半导体器件物理低频小信号等效电路共源极低频小信号等效电路低频小信号参数： 栅跨导（跨导）gm ；衬底跨导gmb电导gd（输出电阻rds）；漏源半导体器件物理低频小信号等效电路1. 栅跨导（跨导）定义：利用萨方程求解栅跨导非饱和区：饱和区：若考虑沟道长度调制效应栅跨导gm标志着共源极工作时输入电压对输出电流的控制能力。提高栅跨导的方法： 加大宽长比W/L；减薄tOX ；选择nMOST（n p ）半导体器件物理低频小信号等效电路2. 漏源电导gd（输出电阻rds）定义：非饱和区漏源电导gd利用萨方程求解影响：沟道表面迁移率；器件宽长比W/L；栅氧化层厚度饱和区漏

7、源电导gds经典长沟理论 gds=0考虑沟道长度调制效应 影响饱和区漏源电导gds的： 沟道表面迁移率；沟道宽度；沟道长度；栅氧化层厚度；衬底掺杂浓度；gds与(VGS -VT)2成正比半导体器件物理低频小信号等效电路衬底跨导gmb定义：衬底跨导反映了衬偏电压对漏极电流的控制能力衬偏电压的作用是改变了表面空间电荷在反型层与耗尽层之间的分配利用萨方程的精确解求出半导体器件物理高频小信号等效电路共源极工作的nMOSFET，需要考虑的电容和电阻半导体器件物理高频小信号等效电路各元件物理意义Cgso，Cgdo栅源、栅漏覆盖电容Cgs 栅极-源端沟道电荷之间的电容Cgd栅极-漏端沟道电荷之间的电容Cds

8、漏极-衬底间pn结电容rs ，rd 源区、漏区串联电阻上述元件中，只有栅-沟道电容Cgs和Cgd对器件性能有实际意义，其余的寄生电容和电阻都将降低器件性能。因此，在电路设计中应尽量减小这些寄生元件的数值。栅源、栅漏覆盖电容Cgso和Cgdo由器件的结构和侧向扩散决定Cgs、Cgd和Cds 属于本征MOSFET部分现在，已经提出了很多MOSFET本征电容模型，其中Meyer长沟器件模型被许多电路模拟软件广泛采用。下面简Meyer模型要半导体器件物理Meyer模型在Meyer模型中，栅-沟道之间的分布电容被分解为三个集总电容： 栅源电容Cgs；栅漏电容Cgd ；栅衬电容CgbMeyer模型采用长沟

9、器件的公式计算这几个电容半导体器件物理Meyer模型利用上述公式推导得到：线性区：饱和区：半导体器件物理Meyer模型Meyer模型虽然简单，但存在一些缺陷，主要缺陷是电荷不守恒，因而导致在模拟动态RAM和开关电容之类的电路时误差较大。但由于它固有的简洁性，仍被广泛采用于不存在电荷守恒问题的电路模拟中。Meyer模型是SPICE Level=14级模型采用的缺省电容模型。采用长沟器件的公式还可推导出：Cds =0这表明理想的本征MOSFET中源到漏之间不存在通过沟道的电容耦合半导体器件物理截止频率类似BJT，截止频率fT 反映了MOSFET用于放大工作的上限频率求解方法：求共源极电流增益输出电

10、流：电流增益：特征频率（|Ai| =1 时的频率）半导体器件物理截止频率考虑本征MOSFET （Cgso=0，Cgdo=0），并且负载电阻RL=0，得到本征截止频率线性区本征截止频率饱和区本征截止频率半导体器件物理MOSFET温度特性（1）迁移率与温度的关系反型层中载流子迁移率与温度有很大的关系。对于高性能的器件，电子的表面迁移率可从室温时的 600cm2 /V s20000cm2/V s。在室温附近200K400到液氦时4.2K的K温度范围内 n与温度的关系可简单表示为T(T ) Tm()()0T0(T )是T温度下的低场迁移率，(T0 )是T0 温度下的低场迁半导体器件物理率。m为指数因子

11、，p沟器件m=1.21.4，n沟器件m=1.41.6，m与测量的电场有关。在时SPICE软件中m的值一律取1.5。如m=1.5，( T )的温度系数为：d11.5dTT（2）阈值电压与温度的关系（以简单情况为例）2QB()V 2V FTFBFCoxVdd 1) 2dV1( 2T02F2 FFdTdT2dT半导体器件物理d 1 2 (2F )2 F dT dFQBCox 2F 2 dTdFNF t(1)计算ln AnidT32Eg (T )n 3.9 *1016 *T* exp(2)i2KT(2) (1),3 ln T Eg (T )NA ln(3)Ft3.9 *101622KT半导体器件物理d

12、FEg (T ) K ln NA KT (0 32KT 2dTqnq2Ti 1 ( 3 KT Eg (T )FT2q2q Eg (T ) 1 Eg (T 0) 1 (T )FFT2qT2q“+”用于p沟器件，“-”用于n沟器件半导体器件物理从半导体物理可知，如下图，T ，F ，对于n沟VT ，p沟VT dVT 1mV /0 Cn沟器件VT 是负温度系数，dT半导体器件物理（3）亚阈值斜率与T的关系半导体器件物理表征亚阈值特性的是亚阈值摆幅CS (ln10)(1D)tCoxT ,t , S ，低温时器件的亚阈值特性得到改善考虑串联电阻后对 gm和gd的修正在实际器件中，由于源区和漏区存在体电阻和欧姆接触电阻等原因，沟道的源端和漏端存在寄生的串联电阻，分别记为 RsRD和。这些电阻使加在器件上的实际栅压 VGS 和实际漏压VDS 减小，因此器件的gm和gd 都减小。半导体器件物理半导体器件物理IDgm gm VGS 1Rs (RsRD )gmgDIDgD gD VDS 1Rs (RsRD )gmgDVGS和V D是S外加偏压证明一下上式IDVG SIDVD SVG SVD SdID dVD SdVG SgVGS dgmdVDSD半导体器件物