半导体器件物理II必背公式+考点摘要

半二复习笔记1.1 MOS结构费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示2. 表面势：半导体表面电势与体内电势之差，体内 EFi和表面EFi之差的电势表示3.金半功函数差5.P沟道阈值电压7. 注意faifn是个负值MOS原理MOSFET非饱和区IV公式跨导定义：VDS一定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS对ID的控制能力提高饱和区跨导途径衬底偏置电压VSB>0，其影响背栅定义：衬底能起到栅极的作用。VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化频率特性MOSFET频率限制因素：①沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间截止频率：器件电流增益为1时的频率高频等效模型如下：栅极总电容 CG看题目所给条件。若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；非理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产生寄生电容：① CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（ CgsT=Cgs+Cgsp）。提高截止频率途径CMOS开关特性闩锁效应过程非理想效应MOSFET亚阈特性亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS无关④亚阈值摆幅 S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，

S是量化

MOS管能否随栅压快速关断的参数。⑤快速关断：电流降低到 Ioff 所需VGS变化量小。因此 S越小越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差： VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提高关断 /待机状态下器件的阈值电压 VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减小亚阈值摆幅沟长调制效应（VDS↑?ID↑）机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，沟)：L`<L ，导电沟道区的等效电阻减小， ID增加,

饱和区电流饱和；实际器件

(短②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度 N越小? L的绝对值越大?沟道长度调制效应越显著；沟道长度 L越小? L的相对值越大 ?沟道长度调制效应越显著迁移率变化概念：MOSFET载流子的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率非常数。VGS↑→垂直电场↑→漂移运动的电子更接近于氧化层和半导体的界面→表面散射增强，载流子的表面迁移率 μ下降②影响：漏电流、跨导随栅压增加而增加的趋势减缓速度饱和①概念：E较低时，μ为常数，半导体载流子漂移速度v与沟道方向电场E正比；E较高时，达到一临界电场EC时，载流子漂移速度v将达到饱和速度vSat，使载流子的μ下降②影响：使电流饱和原因：③易发生情况：短沟器件， U大L小，E大，易达到饱和 Ec④考虑速度饱和后的饱和漏源电流⑤跨导：与偏压、沟长无关⑥截止频率：与偏压无关弹道输运特点：① 沟道长度 L<μm，小于散射平均自由程②载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞③高速器件:不经散射的速度大于经历散射的平均漂移速度非弹道输运特点：沟道长度 L>μm，大于散射平均自由程；载流子从源到漏运动需经过多次散射；因经历多次散射，载流子运动速度用平均漂移速度表征按比例缩小按比例缩小的参数：器件尺寸参数（ L，tox，W，xj）：k倍掺杂浓度（Na，Nd）：1/k倍电压V：k倍电场E：1倍耗尽区宽度 Xd：k倍电阻R（与L/W成正比）：1倍;总栅电容（与 WL/tox成正比）:k 倍漏电流I（与WV/L成正比):k 倍阈值电压调整短沟道效应（L↓?VT↓）①概念：随着沟长 L变短，栅压VG可控空间电荷区仅仅为下方梯形→可控耗尽层电荷占耗尽层越来越少→使得可控 Qsd变小，VT下降②影响因素：↓→VTN↓↑→VTN↓c. VDS>0→漏衬n+p反偏压↑ →Qsd↓→VTN↓d.VSB↑→VTN↓（ VT绝对值更大，使 VT整体减小）窄沟道效应（W↓?VT↑）概念：表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象→VGS作用下要产生中间矩形和两侧的耗尽层电荷→W越小，相同偏压VG下能用来控制下方矩形部分的电压V越少→VT随W的↓而增大离子注入调整原理：通过离子注入技术向沟道区注入杂质型衬底表面注入受主杂质（如 B）→半导体表面净掺杂浓度 Na↑→b.p 型衬底表面注入施主杂质（如 P）→半导体表面净掺杂浓度/Q`SDmax/↓→表面更容易反型→VT↓

Na↓→②离子注入关系P

型衬底加入受主杂质：击穿特性栅氧化层击穿概念：VGS↑→氧化层电场强度Eox≥临界电场强度EB，氧化层发生介电击穿，栅衬短路，栅电流产生②影响因素：静电使栅两侧出现电荷积累，易产生强电场使之击穿③措施：a.设计和使用做好防静电措施b.进行电路设计漏衬pn结雪崩击穿（沟道未形成）概念：结反偏压VDS大到一临界值BVDS，发生雪崩击穿②雪崩击穿：载流子从大 E获得大能量，与晶格原子碰撞 →共价键断裂，产生电子空穴对 →产生的电子空穴也会从 E获得能量，继续碰撞→产生大量的电子被漏极收集 （加入ID），发生击穿，产生的空穴注入衬底（产生 Isub）③影响因素：a.击穿电压BVnp，其为轻掺杂侧掺杂浓度 Na的函数b.MOSFET 漏衬PN结的BVDS<BVnp：耗尽区的电场在拐角处（棱角电场）容易集中，大于平面处电场3. 沟道雪崩倍增效应（ VGS>VT）①概念：发自

S端的载流子，形成电流

IS,

进入沟道区，受沟道

E的加速→在

D端附近发生雪崩倍增→产生的电子被漏极收集

（加入

ID），产生的空穴注入衬底（产生

Isub）②影响因素：a.VDS越大，E越强，越容易诱发倍增b.VGS 越大，沟道载流子数越多，倍增越快， BVDS越小寄生晶体管击穿（雪崩击穿正反馈）概念前提：MOSFET存在寄生的双极型晶体管雪崩击穿→存在衬底电流

Isub，同时

Rsub不为零→寄生晶体管基极电势增高，使源衬结正偏→电子由重掺源区扩散至衬底，一部分电子加入

ID

使ID↑→雪崩击穿加剧（正反馈）②易发生情况：短沟高阻衬底的 MOSFET短沟，基区较窄，注入沟道区的电子易被漏极收集，同时漏结附近的E较强，倍增效应强高阻，Rsub大措施：重掺衬底源漏穿通效应（短沟器件）①概念：漏衬结的空间电荷区扩展至和源衬结空间电荷区相接→导致源端和源漏之间半导体的势垒高度降低→电子跨越势垒高度由源区注入到源漏之间半导体区的几率增加②影响：a.VGS=0时，源和沟道区势垒高度被拉更低→源区电子注入到沟道区数量增多→亚阈值电流增加b.VDS ↑→源和沟道区势垒高度降低→ ID指数↑→栅压控制器件 ID能力下降②易发生情况：短沟高阻衬底的 MOSFET③措施：增大栅氧下方会发生穿通效应的衬底浓度 NB、增大VSB6.LDD结构的MOSFET①定义：轻掺杂漏结构（ LightlyDopedDrain ）②概念：在沟道的漏端及源端增加低掺杂区，降低沟道端口处的掺杂浓度及掺杂浓度的分布梯度③作用：降低沟道中漏附近的电场，提高器件的击穿电压辐射效应与热载流子效应辐射效应概念：x射线、γ射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴②影响：a.产生氧化层电荷产生界面态辐射总剂量越大，曲线斜率小，亚阈值摆幅增大热载流子效应热载流子定义：热载流子有效温度Te高，若环境温度为T，则平均能量（kTe）大于晶格能量（kT）的载流子。MOSFET的热载流子，从VDS产生的E获得能量②影响a. 热载流子（能量高）越过 Si-SiO2 界面势垒注入到 SiO2层中→被氧化层陷阱俘获，氧化层电荷变化热载流子越过界面，会打开Si-O键，产生界面态，使界面陷阱电荷变化表面散射增强，使迁移率下降被栅极收集，形成栅电流特点：是连续过程、易发生于短沟器件④措施：采用轻掺杂漏结构（ LDD）原因：漏区掺杂浓度较低且分布梯度较缓， 电力线不易集中， 沟道中漏附近的电场降低；减缓热载流子 的产生；减缓雪崩击穿效应，寄生双极晶体管击穿效应JFET场效应管与 MESFET1.MESFET基本结构肖特基二极管特点反向饱和电流数量级更高②多子器件，无扩散电容无少子存储效应，开关特性好JFET理想直流特性内建夹断电压Vp0：沟道夹断时栅结总压降,Vp0?>0夹断电压Vp：沟道夹断时的栅源电压，根据沟道类型可正可负直流特性①近似公式： ，IDSS为VGS=0时的沟道漏电流②阈电流： ，为JFET在VGS,Vbi均为0时的最大漏电流，无空间电荷区注意上式和 Nd有关，即漏电流与掺杂浓度成正相关；

因此跨导

gm也与掺杂浓度正相关JFET等效电路和频率限制提高fT的方法减小栅长②降低栅电容③增加跨导④提高迁移率二维电子气：2DEG指在两个方向上