2022-2023学年高二物理竞赛课件：MOS电容及瞬态电路模型 简述

MOS电容及瞬态电路模型(简述)

MOS电容及瞬态电路模型(简述)

电容包括：MOS电容；极间电容；CGS、

CGD、CGB、

CBD、CBS

等瞬态电路模型：由MOS电容、MOS场效应晶体管沟道电流源和MOS场效应晶体管寄生二极管构建的瞬态电路模型。是SPICE模型中最基本的模型，也是电路分析模拟、开关特性的研究中最基本模型。漏-源击穿机理（1）栅调制击穿——主要发生在长沟道管MOS管中，有以下几个特点对实际器件测量，发现有以下特点：①源-漏PN结的结深为l.37

m的管，一般BUDS

=25～40V，低于不带栅电极的孤立漏PN结的雪崩击穿电压。器件去除栅金属后，BUDS可上升到70V。②衬底电阻率高于10

cm时，BUDS与衬底掺杂浓度无关，而是决定于漏-源结深、栅氧化层厚度及UGS

。③栅调制击穿最重要的特征是BUDS受UGS控制，当│UGS││

│UT│，器件导通时，BUDS随│UGS│增大而上升，而在截止区│UGS│<│UT│，UGS愈往正的方向变化，BUDS愈降低。衬底掺杂浓度不过高，转角区(冶金结与Si-SiO2界面交点处)的电场比体内强得多，即可达到雪崩击穿临界场强而击穿；平面工艺制造的PN+结曲面结界面交点处栅氧化层tOX

栅电极UDG

=UDS

UGS

NMOS衬底漏P（2）沟道雪崩倍增击穿分析表明：从沟道进入夹断区的载流子大部分在距表面0.2～0.4

m的次表面流动，漏-衬PN结的冶金结附近电场最高，达到和超过雪崩击穿临界电场强度时，击穿就发生了。特点：对于NMOS场效应晶体管的漏源击穿特性，在UGS>UT

的导通区，BUDS随UGS增加而下降，并且呈现软击穿，不同与栅调制击穿。在UGS<U

T的截止区，随UGS

增加BUDS下降，并且呈现硬击穿，与栅调制击穿相同。（3）“NPN管”击穿——衬底电阻率高的短沟道NMOS管发射区基区集电区寄生NPN管的共发射极击穿:原因是沟道夹断区强场下的载流子倍增和转角区载流子倍增，衬底电流产生的压降经衬底极加到源极上；假定UBS

=0，这一压降使源PN结正偏(发射结正偏)，漏PN结(集电结)出现载流子倍增，进入“倍增-放大”的往复循环过程，导致电压下降（热击穿），电流上升。发射结集电结主要特征：呈现负阻特性

导通状态下UGS愈高，则漏-源击穿电压BUDS愈低;该情况只发生在，高电阻率的短沟道的NMOS场效应管负阻特性能引发二次击穿UDSID（4）漏-源穿通机构及漏-源穿通电压BUDSP

——输出端沟道表面漏结耗尽区的宽度漏极电压UDS增大时，漏结耗尽区扩展，使沟道有效长度缩短；当Xdm扩展到等于沟道长度L时，漏结耗尽区扩展到源极，便发生漏-源之间的直接穿通。穿通电压当MOS管的沟道很短时，漏-源穿通电压才可能起主要作用。当UGS

UT

=0时，简化NB为衬底掺杂浓度。穿通电压与沟道长度L的平方成正比。沟道长度越长，穿通电压越高，即：不易穿通。2、最大栅-源耐压BUGS——（输入端）破坏性击穿是由栅极下面SiO2层的击穿电压决定的；SiO2发生击穿的临界电场强度：EOX（max）=8

106V／cm，厚度为tOX的SiO2层的击穿电压如，tOX

=1500Å，则BUGS=120V。实际栅-源之间的击穿电压，比计算的值低。4.4.1理想MOS结构的电容—电压特性

1、MOS结构的电容构成

假设理想MOS结构没有金属和半导体之间的功函数差，氧化层是良好的绝缘体，几乎没有空间电荷存在，Si-SiO2界面没有界面陷阱，外加栅压UG

一部分降落在氧化层（UOX）上，另一部分降落在硅表面层（US），所以UG

=UOX

+US

。电容等效电路