半导体器件基础3

半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型JFET和MESFET简介MOS结构基础MOSFET器件基础基本概念JunctionFieldEmissionTransistor(JFET)20世纪20~30年代发明Non-linearvoltage-controlledresistorUseof“drain”and“source”foroutputloop“gate”and“source”forinputloopUsereverse-biasedP-Njuntiontocontrolcross-sectionofdeviceTotalresistancedependsonvoltageappliedtothegateJFET的结构JFET的工作原理栅电压控制耗尽区宽度P+P+DSGGn特性MESFET半绝缘GaAsN+N+N-GaAsDS肖特基接触形成栅GJFET、MESFET和BJT的区别MESFET与JFET原理相同，不同点是MESFET中的栅结为肖特基结。FET的电流传输主要由多数载流子承担，不出现少数载流子存储效应。有利于达到较高的截止额率和较快的开关速度。FET是电压控制器件，BJT是电流控制器件。FET输入阻抗高。高电平下JFET的漏极电流具有负的温度系数，因而不致出现由于热电正反馈而产生的二次击穿，有利于高功率工作。FET由于是多子器件，抗辐照能力比较强。JFET与BJT及MOSFET工艺兼容．有利于集成。JFET、MESFET可以采用非硅材料制造。MOSFET与BJT的比较输入阻抗高噪声系数小功耗小温度稳定性好抗辐射能力强工艺要求高速度低MOS结构基础MOSFET结构基本工作原理VG是控制电压。当VG«VT，两个背靠背二极管当VG略小于VT时，表面耗尽层产生当VG>VT时，表面反型分类N沟和P沟分类-1增强和耗尽硅表面理想硅表面键的排列从体内到表面不变,硅体特性不受影响硅表面-1真实表面表面沾污(C,Oetc.)表面重构硅表面-2表面钝化最常见的钝化材料:SiO2硅表面-3二氧化硅的宽禁带阻止了半导体中载流子的逃逸能带图能带图-1无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲MOS结构的基本公式MOS结构的基本公式-1总电势差:耗尽耗尽-1（边界条件）反型反型-1耗尽层电荷:积累平带Qsss=0,Qs=0,=0,flatbands<0,Qs>0,accumulations>0,Qs<0,depletions>0,Qs<0,weakinversions=2F,theonsetofstronginversions>2F,StronginversionFlatBandVoltage外加偏置基本定量公式栅电压VG栅电压VGMOS电容MOS电容电容的定义:MOS电容-1MOS电容-2积累态:耗尽态:MOS电容-3反型实验结果深耗尽从耗尽扫描到反型时,需要少子小结MOS基本结构硅表面状态:耗尽反型积累平带栅电压关系MOS电容半导体器件基础半导体概要载流子模型载流子输运pn结的静电特性pn结二极管：I-V特性pn结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性BJT的基础知识BJT静态特性BJT动态响应模型MOS结构基础MOSFET器件基础JFET和MESFET简介工作原理工作原理-1I-V特性的定量分析预备知识阈值电压衬底表面开始强反型时的栅源电压VT理想情况下（p型衬底）

阈电压-1阈电压-2VBS=0时的阈电压VT(0)阈电压-3实际的MOS器件中,QOX不为0,金属/半导体功函数差MS也不等于0,当VG=0时半导体表面已经发生弯曲,为使能带平直，需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响，这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB。阈电压-4VT的调整:衬底掺杂浓度二氧化硅厚度阈电压-5VBS不为0时的阈电压VBSNPNDrain阈电压-6NMOSPMOS定义:则阈电压-7衬偏调制系数的定义:阈电压-8离子注入掺杂调整阈电压一般用理想的阶梯分布代替实际的分布按注入深度不同,有以下几种情况:浅注入深注入中等深度注入阈电压-9浅注入注入深度远小于表面最大耗尽层厚度，半导体表面达到强反型时，薄层中电离的受主中心的作用与界面另一侧SiO2中Qox的作用相似。深注入阶梯深度大于强反型状态下的表面最大耗尽区厚度阈电压-10中等深度注入有效迁移率载流子迁移率受材料内部晶格散射和离化杂质散射决定表面碰撞减低迁移率N+N+Lxy有效迁移率-1与栅电压有关VG越大有效迁移率越小平方律理论非饱和区电流电压方程萨方程(SPICE一级模型)基本假定:①衬底均匀掺杂。②长沟道器件，沟道两端的边缘效应以及其他短沟道效应不起作用；沟道宽度远大于沟道长度，与沟道电流垂直方向上的两侧边缘效应也不予考虑。③反型层内载流子迁移率等于常数。④二氧化硅层电荷面密度QOX等于常数。⑤忽略漏区、源区体电阻及电极接触电阻上的电压降。⑥忽略源、漏PN结及场感应结的反向漏电流。⑦强反型近似条件成立。⑧沟道导通时漂移电流远大于扩散电流。⑨缓变沟道近似条件成立，即与Si/SiO2界面垂直方向电场强度的数值远大于沟道流动方向上的电场强度数值。⑩忽略表面耗尽区电荷面密度沿沟道电流流动方向的变化。平方律理论-1①引用欧姆定律，列沟道电流密度方程。平方律理论-2②给出强反型表面势的表达式栅下半导体表面不同位置上的表面势不一样表面耗尽区最大电荷面密度:假定10:平方律理论-3(3)求Qn(y)平方律理论-4④求ID0~L积分:平方律理论-5Qn(L)=0表示沟道漏端夹断夹断点移动到L’处:得平方律理论-6当VDS>VDsat时，超过VDsat那部分外加电压降落在夹断区上。夹断区是已耗尽空穴的空间电荷区，电离受主提供负电荷，漏区一侧空间电荷区中的电离施主提供正电荷。漏区和夹断区沿y方向看类似于一个N+P单边突变结。当夹断区上电压降增大时，夹断区长度扩大，有效沟道长度缩短。对于长沟道MOSFET，未夹断区的纵向及横向的电场和电荷分布基本上与VDS=VDsat时相同,漏极电流恒定不变，这就是电流饱和。体电荷理论假设10不成立时饱和区特性实际应用的MOSFET，在饱和区工作时漏极电流都是不完全饱和的。ID随VDS增加而缓慢上升两种机理解释：沟道长度调制效应漏沟静电反馈效应沟道长度调制效应VDS>VDsat时，漏端夹断。当L较短时：定义沟道长度调制系数：漏沟静电反馈效应对于制造在低掺杂衬底上的MOSFET，若源漏间距比较小，人们发现它的动态输出电阻比具有同样几何结构，但制造在高掺杂衬底上的MOSFET的动态输出电阻低得多。对于这一现象，只是用沟道长度调制效应已无法解释，而必须考虑同时存在着的其他作用——漏场对沟道区的静电反馈。漏沟静电反馈效应是指衬底低掺杂，沟道又比较短的情况下．漏衬PN结耗尽区宽度以及表面耗尽区厚度与几何沟道长度可比拟时，漏区和沟道之间将出现明显的静电耦合，漏区发出的场强线中的一部分通过耗尽区中止于沟道。漏沟静电反馈效应-1外加附加源漏电压将在漏PN结耗尽区靠近漏区边界附近及沟道分别感应出正负电荷，沟道中电子数量增加导致电阻减小，因而电流随之增大。击穿特性漏源击穿电压BVDS1．栅调制击穿2．沟道雪崩倍增击穿3．寄生NPN晶体管击穿4．漏源穿通小信号特性和瞬变特性小信号参数栅跨导非饱和区跨导:饱和区跨导:提高跨导:加大沟道宽长比W/L减薄栅氧化层厚度尽量采用NMOSFET结构小信号特性和瞬变特性-1小信号参数衬底跨导提高衬底跨导:提高表面迁移率增大W/L提高衬底掺杂浓度小信号特性和瞬变特性-3小信号参数漏源电导提高漏源电导:提高表面迁移率增大W/L本征电容本征电容是指表示在本征MOSFET小信号及大信号等效电路中的电容元件，来源于晶体管的各个区域或各个电极上的储存电荷随引出端电位的变化。GSDB电容:CgsCgdCgbCbsCbdCds小信号模型本征MOSFET的中频小信号模型短沟道效应沟道长度缩短所带来的问题是，可能出现与长沟道效应，即按经典的长沟道理论预示的特性的偏离，这些偏离就是短沟道效应。一般来说，沟道长度和源漏耗尽区宽度可以比拟，或沟道宽度与栅下表面耗尽区厚度可以比拟时出现短沟通效应。短沟道效应-1短窄沟效应电荷分享原理交界区的电离受主电荷一部分属于表面耗尽区，另一部分属于源漏耗尽区。短沟道效应-3窄沟道效应短沟道效应短沟MOSFET实际测量的共源输出特性与长沟特性相比，显示出以下偏离：饱和漏源电压及饱和漏电流都小于长沟理论预示值。IDsat与(VGS-VT)间不呈现平方律关系，