微电子器件原理-第章长沟道MOSFEs

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VDS>0<0IDS方向由DS由SD阈值电压VT<0VT>0VT>0VT<0电路符号MOSFET符号7.2漏漏电流流模型型7.2.1本本征电电荷密密度与与准费费米势势的关关系7.2.2缓缓变（（渐变变）沟沟道近近似7.2.3PAO和SAH’s双积积分MOSFET器器件剖剖面图图以N沟沟增强强型MOSFET为为例x=0在硅硅表面面，指指向衬衬底，，平行行于栅栅电极极；y，平平行于于沟道道，y=0在源源端；；y=L在在漏端端，L：沟沟道长长度(x,y)：本本证势势；能能带弯弯曲V(y)：：在y处电电子的的准费费米势势,与与x无无关；；V(y=L)=Vds本征电电荷密密度与与准费费米势势的关关系由方程程（2.150）和和（2.187）知知：(1)(2)表面反反型时时，（（2.190））为：：(3)最大耗耗尽层层宽度度：(4)缓变（（渐变变）沟沟道近近似缓变（（渐变变）沟沟道近近似：：电场场在y方向向（沿沿沟道道方向向）的的变化化[分分量]远远远小于于沿x方向向（垂垂直于于沟道道方向向）的的变化化[分分量]。（（Ey<<Ex）有了这这个假假设后后Poisson’’s方方程可可以简简化为为一维维形式式。空穴电电流和和产生生和复复合电电流可可以忽忽略。。电流流连续续方程程只应应用于于y方方向的的电子子。有了上上述两两个假假设后后，任任一点点的漏漏源电电流是是相同同的。。由方方程（（2.45），，（x，y）处处的电电子电电流为为：(5)MOSFET器器件剖剖面图图缓变（（渐变变）沟沟道近近似V(y)定定义为为准费费米势势；（（5））式包包括了了漂移移和扩扩散电电流密密度。。电流流为：：(6)反型层层底部部=B定义：：Ids>0；；漏源源电流流在-y方方向单位栅栅面积积反型型层电电荷：：(7)（6））是变变为：：(8)上式两两边乘乘以dy并并积分分得：：(9)(10)PAO和SAH’s双积积分把（10））式用用n(x,y)表示示。由由（1）式式(11)把（11））式代代入（（7））式得得：(12)把（2）式式代入入（12））式然然后代代入（（10）式式得：：(13)PAO和SAH’s双积积分（2.180））由和（（2.180）），（（2））式得得：（14）第3节节MOSFETI-V特性薄层电电荷近近似线性区区特性性饱和区区特性性夹断点点和电电流饱饱和pMOSFETI-V特性性薄层电电荷近近似薄层电荷荷近似：：假设所有有的反型型层电荷荷均位于于硅表面面薄层内内，反型型层内没没有电势势降和能能带弯曲曲。耗尽层近近似被应应用于体体耗尽层层。一旦旦反型，，表面势势钉扎在在S=2B+V(y)，由（4）式，体体耗尽层电电荷密度：：（15）硅界面整个个电荷密度度为[由（（2.180）得]：（16）薄层电荷近近似反型层电荷荷密度：把（17））式代入（（10）式式并积分得得：（17）（18）线性区特性性在Vds较较小时，展展开（18）式并只只保留低阶阶项（一阶阶项）：（19）Vt是阈值值电压：（20）阈值电压的的物理意义义：金属栅下面面的半导体体表面呈强强反型，从从而出现导导电沟道时时所需加的的栅源电压压。表面势或能能带弯曲达达到2B，硅电荷等等于这个势势的体耗尽尽层电荷时时的栅电压压。线性区特性性，典典型值为0.6—0.9V。。Vg<Vt时，MOSFET中电流很很小，叫截截止区；Vg>Vt时，由（（19）式式知，MOSFET像一个电电阻一样。。方块电阻阻为：，受受栅电压调调制。低漏电压时时的Ids--Vg关系曲线阈值电压的的确定：画低漏电压压时的Ids与Vg的关系曲线线，由外推推法得到。。注意：Ids与Vg的关系曲线线是非线性性的，这是是因为薄层层电荷近似似在这个区区域不再是是有效的。。饱和区特性性在Vds较较大时，展展开式中的的二阶项不不能忽略，，（18））式为：（非饱和区区）（（21））这里：m：体效应应系数，典典型值：1.1~1.4；当当体电荷效效应可以忽忽略时，m=1Cdm：在S=2B时的体耗尽尽电容（22）饱和区特性性阈值电压由由（20）），（22）式得出出（21）式式表明，当当Vd增加时，在在最大值或或饱和值达达到之前，，Ids是Vds的抛物线函函数。当时时饱和区（（23））方程（18）和（21）当VdsVdsat时有效，，在这个范范围之外，，电流仍为为饱和电流流。（20）长沟MOSFETIds—Vds关系曲线夹断点和电电流饱和当V2B时，（17）式为：：（展开17时只保保留前两项项）（24）此此式所画画曲线如图图下页所示示。源端：漏端：反型层电荷荷密度与准准费米势的的关系当Vds较小时（线线性区），，漏端反型型层电荷密密度比源端端的稍小；；当Vds增加时（栅栅电压固定定），电流流增加；漏漏端反型层层电荷密度度减少；当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时，，漏端反型型层电荷密密度减少到到0；线性区（低低漏电压)开始饱和时时饱和时漏端端表面沟道道消失。叫叫夹断。饱和区外，，沟道长度度开始减小小当Vds>Vdsat时，夹夹断点向源源端移动，，但漏电流流基本不变变。这是因为夹夹断点的电电压仍为饱饱和电压。。夹断点和电电流饱和由（9）式式：（（25））夹断后器件件的特性可可以把上式式从0到y积分得到到（26）上式积分利利用了（24）式；；把（21））代入（26）得：：（27）由（24））式：准费米势与与源漏之间间距离的关关系当Vds较小时，源源漏之间的的V(y)几乎是线线性的；当Vds增加时，由由于电子的的准费米能能级降低，，漏电荷密密度减小；；由于dV/dy增增加，使电电流基本保保持不变；；当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时，，Qi(y=L)=0，dV/dy=，这意味着着电场沿y方向的变变化大于沿沿x方向的的变化，渐渐变近似不不再适用。。从夹断点点到漏端要要解二维Poisson’s方程。Vds>2B时，方程（（17）Qi=0和方程程（18））dIds/dVds=0，并且且V=Vdsat得：（28）计算的Ids—Vds关系曲线实线（3.18）；；点划线：：（3.21）pMOSFETI-V特性性MOSFET的特性性曲线第4节亚阈阈特性漏电流的漂漂移和扩散散分量亚阈区电流流表达式亚阈区斜率率MOSFET工作的的三个区域域MOSFET器件一一般可分为为三个区域域：线性区；饱饱和区；亚亚阈区弱反型导电电亚阈也叫弱弱反型导电电：当Vgs<Vt（VGS<Vt）时时源漏之间间的漏电，，成为弱反反型导电或或次开启。。弱反型导电电原因一般情况下下，Vgs<Vt时器件的电电流为“0”。但在在某些重要要应用中，，非常小的的电流也是是不能忽略略的。在低低压、低功功耗应用中中，亚阈特特性很重要要。如：数数字逻辑和和存储电路路原因：当VGS<Vt时表面处就就有电子浓浓度，如公公式（11）所示。。即当表表面不是强强反型时就就存在电流流。主要是是源与沟道道之间的扩扩散电流。。VGS<Von为弱反型；；VGSVon为强反型（11）漏电流的漂漂移和扩散散分量强反型时：：以漂移电电流为主；；弱反型时：：源与沟道道之间的扩扩散电流弱反型时，，漂移和扩扩散电流均均包含在PaoandSah’s双积分公公式（13）中电流连续是是指漂移和和扩散电流流之和连续续。换句话话说，在任任一点漂移移电流和扩扩散电流的的比例很可可能变化。。在低漏电压压下，可以以用方程（（14）中中隐含的(V)关系系，分离漂漂移电流和和扩散电流流。亚阈区电流流表达式（35）或（36）亚阈区斜率率当Vds是几倍kT/q时，，扩散电流流占统治地地位，漏电电流与漏电电压无关，，只与栅电电压有关。。斜率定义（（图3.10）（37）由方程（22）知，由方程（22）知：：S的典型型值为：70—100mV/decade，如如果Si-SiO2界面陷阱密密度较高，，斜率很可可能比方程程（37））给出的大大。第5节衬底底偏置效应应和温度特特性对阈值值电压的影影响体效应阈值电压的的温度特性性体效应MOSFET衬底偏偏置效应等等效电路体效应（17）方程（17）变为：：（38）这里：V是是沟道中的的任一点与与衬底之间间的反向偏偏压。对Qi从源（Vbs）到漏（Vbs+Vds）积分得电电流的表达达式为：（（（18））是变为））（18）（39）体效应（续续）在低漏电压压下，漏电电流仍由（（19）式式给出：在Vds较小时，展展开（18）式并只只保留低阶阶项（一阶阶项）：（19）阈值电压Vt由：（（20））变为（（40））反向衬底偏偏压的影响响是：使体体耗尽层加加宽，阈值值电压升高高。阈值电压与与反向衬底底偏压的关关系左图曲线的的斜率（41）叫衬偏敏感感度。在Vbs=0时，当Vbs增加时，衬衬偏敏感度度下降。阈值电压的的温度特性性平带电压：：（（2.181）假设不存在在氧化层电电荷，把（（2.181）代入入（20））式得：（42）在“0”衬衬偏电压条条件下，阈阈值电压与与温度的关关系为：（43）（2.37）阈值电压的的温度特性性（续）（2.7））由方程（2.37））和（2.7）得：：（44）因为NcandNvT3/2，所以：阈值电压的的温度特性性（续）把方程（44）代入入方程（43）得：：（45）Na=1016cm-3，m=1.1时，dVt/dT典型值值为-1mV/K。。Na=1018cm-3，m=1.3时，dVt/dT典型值值为-0.7mV/K。掺杂浓度增增加时，温温度系数降降低。例：：温度每升升高100度，阈值值电压降低低55-75mV。。在数字VLSI电路路中，温度度升高，阈阈值电压下下降，漏电电流增加，，这是设计计中必须考考虑的问题题。典型值值：对于MOSFET器件，，100C时的开关关漏电流是是25C时的30-50倍倍。第6节MOSFET沟道迁迁移率有效迁移率率和有效电电场电子迁移率率数据空穴迁移率率数据有效迁移率率和有效电电场有效迁移率率（载流子子浓度权重重的平均值值）：（（46）有效电场定定义：（（47）是通过反型型层中间层层高斯表面面的总电荷荷。（2.161）（20）应用（2.161））和（20）式得：：（48）（24）有效迁移率率和有效电电场（续））（48）、、（24））代入（47）得：：（49）上式应用了了：；；因此，（50）电子迁移率率数据（51）当时时，有效迁迁移率下降降很快。在在高电场时时，散射增增加。300K和和77K时时测量的电电子迁移率率空穴迁移率率数据（52）因子1/3是经验因因子，没有有物理意义义。300K和和77K时时测量的空空穴迁移率率第7节MOSFET电容和和反型层电电容的影响响本证MOSFET电电容反型层电容容多晶硅栅耗耗尽层的影影响线性Ids--Vg特性7.1本证证MOSFET电容容--亚阈区反型层电荷荷变化可以以忽略，当当电势变化化时，只有有耗尽层电电荷变化。。因此，本本证的栅-源-漏电电容基本上上是零（讨讨论在5.2.2部部分），栅栅-to-体电容等等于氧化层层电容和耗耗尽层电容容的串联。。（53）Cd：电位面积积耗尽层电电容，在漏漏电压较大大时，耗尽尽层宽度变变宽，耗尽尽层电容减减小。7.1本证证MOSFET电容容--线性区表面沟道一一旦形成，，由于反型型层电荷的的屏蔽作用用，栅-体体之间的电电容很小，，所有的栅栅电容是栅栅对沟道，，源极，漏漏极的电容容。由薄层层电荷理论论，低漏电电压时：源端反型层层电荷面密密度：漏端反型层层电荷面密密度：栅下总的反反型层电荷荷：栅对沟道的的电容简化化为氧化层层电容：：7.1本证证MOSFET电容容--饱和区（24）（27）在夹断点（（饱和），，漏端电荷荷密度为0，饱和电电压Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m，由由（24））式和（27）式得得，y点反反型层电荷荷面密度为为：（55）上式在沟道道长度和宽宽度方向积积分得总的的反型层电电荷为：栅-to-沟道电容容为：（（56）7.2反型型层电容以前的讨论论均是在薄薄层电荷近近似的基础础上得出的的，一旦反反型，表面面势被钉扎扎在S=2B,在此条件下下，反型层层电容可以以忽略不计计。但实际际上，反型型层有一定定的厚度，，反型后随随着栅电压压的增加，，表面势也也会有一些些变化，这这时反型层层电容不能能忽略。Qi-Vg关系曲线线实线（零漏漏电压时，，PaoandSah’’smodel））；虚线（（电荷控制制模型）7.2反型型层电容计计算（57）Cd近似为零，，因为一旦旦出现强反反型后，反反型层电荷荷将屏蔽耗耗尽层电荷荷。（2.164）（2.178）把上面3个个表达式代代入（57）式，积积分得：（58）7.3多晶晶硅栅耗尽尽层的影响响如果栅是未未掺杂的，，多晶硅栅栅耗尽也对对Qi-Vg关系曲线有有影响。多多晶硅耗尽尽区象一个个与氧化层层电容串联联的大电容容，当栅电电压较大时时，它使反反型层中的的电荷密度度减弱。在在高栅偏压压时，多晶晶硅耗尽层层的影响大大于反型层层电容影响响。（58）式增加加一个附加加项。与（（2.185）式推推导过程相相似。（59）Np：多晶硅栅栅有效的掺掺杂浓度。。栅电荷密度度：（（忽忽略体硅耗耗尽层电荷荷）为了使（59）式中中最后一项项可以忽略略，Np应在1020cm-3范围内，尤尤其对于薄薄氧化层MOSFET。7.4线性性Ids--Vg特特性（50）（51）（10）由上述3式式可知，在在低漏电压压情况下（（线性区）），转移特特性曲线为为：（60）跨导：7.4线性性Ids--Vg特特性（续））在高栅偏压压时，由于于迁移率减减小，漏电电流和跨导导均发生简简并效应。。（61）反型层电容容和迁移率率简并效应应

Ids--Vg关系特性性曲线点线：阈值值电压的外外推值计算时假设设没有考虑虑多晶硅耗耗尽第8节MOSFET的频率率特性8.1MOSFET的栅跨跨导gm8.2小小信号衬底底跨导gmb8.3漏漏电导gd（MOSFET的非非饱和区漏漏电导）8.4饱饱和区漏电电导8.5MOSFET小信号号等效电路路模型8.6跨跨导截止频频率gm8.7截截止频率fT8.8提提高MOSFET频频率特性的的途径8.1MOSFET的栅跨跨导gm—定义表示栅源电电压对漏电电流的控制制能力线性区：Vds小时，Vds大时，在饱和区：：8.1MOSFET的栅跨跨导gm—讨论当Vg一定时，跨跨导随Vds的上升而线线性增加；；Vds=Vdsat时，跨导达达到最大值值；VdsVdsat时，跨导与与Vds无关，随栅栅电压的上上升而增加加。8.1MOSFET的栅跨跨导gm—栅电压的影影响在饱和区，，跨导随栅栅电压的上上升而增加加，但栅电电压上升到到一定值时时，跨导会会下降；原因：栅电电压低时，，迁移率可可看成常数数，但栅电电压大时，，迁移率随随电场强度度的增加而而下降，对对栅电压的的增加起补补偿作用。。8.1MOSFET的栅跨跨导gm—考虑速度饱饱和效应后后源漏电压压对跨导的的影响线性区：Vds大时时8.1MOSFET的栅跨跨导gm—源漏电阻对对跨导的影影响有一部分电电压将在源源、漏电阻阻上，实际际的跨导值值小于理论论值。8.2小小信号衬底底跨导gmb定义：表示衬底偏偏置电压对对漏电流的的控制能力力。因此，，衬底的作作用可成为为另一个栅栅，也成为为“背栅””。8.3漏漏电导gd（MOSFET的非非饱和区漏漏电导）8.4饱饱和区漏电电导考虑沟道长长度调制效效应后的电电导8.5MOSFET小信号号等效电路路模型8.6跨跨导截止频频率gmVGS：加在G、、S上的电电压。低频频时，Cgs接近开路，，输入信号号大部分降降落在Cgs上，在栅源源电容Cgs两端感应出出符号相反反的等量电电荷，使沟沟道电荷电电荷随输入入信号的变变化而变化化。频率升高后