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VDS00IDS方向由DS由SD阈值电压VT0VT0VT0VT0电路符号MOSFET符号7.2漏电流模型7.2.1本征电荷密度与准费米势的关系7.2.2缓变(渐变)沟道近似7.2.3PAO和SAH’s双积分MOSFET器件剖面图以N沟增强型MOSFET为例x=0在硅表面,指向衬底,平行于栅电极;y,平行于沟道,y=0在源端;y=L在漏端,L:沟道长度(x,y):本证势;能带弯曲V(y):在y处电子的准费米势,与x无关;V(y=L)=Vds本征电荷密度与准费米势的关系由方程(2.150)和(2.187)知:(1)(2)表面反型时,(2.190)为:(3)最大耗尽层宽度:(4)]/)(exp[),(2kTVqNnyxnai]})1([)1{(2)(),(//22/22kTqeeNnkTqekTNdxdyxEkTqkTqVaikTqSiaByVy2)(),0(aBSidmqNyVyW]2)([2)(缓变(渐变)沟道近似缓变(渐变)沟道近似:电场在y方向(沿沟道方向)的变化[分量]远远小于沿x方向(垂直于沟道方向)的变化[分量]。(EyEx)有了这个假设后Poisson’s方程可以简化为一维形式。空穴电流和产生和复合电流可以忽略。电流连续方程只应用于y方向的电子。有了上述两个假设后,任一点的漏源电流是相同的。由方程(2.45),(x,y)处的电子电流为:(5)dyydVyxnqyxJnn)(),(),(MOSFET器件剖面图缓变(渐变)沟道近似V(y)定义为准费米势;(5)式包括了漂移和扩散电流密度。电流为:(6)反型层底部=B定义:Ids0;漏源电流在-y方向单位栅面积反型层电荷:(7)(6)是变为:(8)上式两边乘以dy并积分得:(9)(10)iixeffxndsdxyxndyydVqWdxdyydVyxnqWyI00),()()(),()(ixidxyxnqyQ0),()()()()()()(VQdyydVWyQdyydVWyIieffieffds)(])([00ydVVQWdyIVdsieffLds)(])([0ydVVQLWIVdsieffdsPAO和SAH’s双积分把(10)式用n(x,y)表示。由(1)式(11)把(11)式代入(7)式得:(12)把(2)式代入(12)式然后代入(10)式得:]/)(exp[),(),(2kTVqNnVnyxnaiSBBSidVEkTVqNnqdddxVnqdxyxnqyQaixi),(]/)(exp[)/(),(),()(20dVdVEkTVqNnLWqIVdsaieffdsSB)),(]/)(exp[)/((02(13)PAO和SAH’s双积分(2.180)由和(2.180),(2)式得:oxSSfbgCQVV2/1/)(22][2kTVqaioxaSiSfboxSSfbgSeNnkTqCkTNVCQVV(14)第3节MOSFETI-V特性薄层电荷近似线性区特性饱和区特性夹断点和电流饱和pMOSFETI-V特性薄层电荷近似薄层电荷近似:假设所有的反型层电荷均位于硅表面薄层内,反型层内没有电势降和能带弯曲。耗尽层近似被应用于体耗尽层。一旦反型,表面势钉扎在S=2B+V(y),由(4)式,体耗尽层电荷密度:]2[2BaSidmadVqNWqNQ(15)硅界面整个电荷密度为[由(2.180)得]:)2()(VVVCVVCQBfbgoxSfbgoxS(16)薄层电荷近似反型层电荷密度:把(17)式代入(10)式并积分得:]2[2)2(BaSiBfbgoxdSiVqNVVVCQQQ(17)]})2()2[(322)22{(2/32/3BdsBoxaSidsdsBfbgoxeffdsVCqNVVVVLWCI(18)线性区特性在Vds较小时,展开(18)式并只保留低阶项(一阶项):(19)Vt是阈值电压:(20)阈值电压的物理意义:金属栅下面的半导体表面呈强反型,从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。表面势或能带弯曲达到2B,硅电荷等于这个势的体耗尽层电荷时的栅电压。dstgoxeffdsoxBaSiBfbgoxeffdsVVVLWCVCqNVVLWCI)()42(oxBaSiBfbtCqNVV42线性区特性,典型值为0.6—0.9V。VgVt时,MOSFET中电流很小,叫截止区;VgVt时,由(19)式知,MOSFET像一个电阻一样。方块电阻为:,受栅电压调制。iaBnNqkTln22低漏电压时的Ids--Vg关系曲线阈值电压的确定:画低漏电压时的Ids与Vg的关系曲线,由外推法得到。注意:Ids与Vg的关系曲线是非线性的,这是因为薄层电荷近似在这个区域不再是有效的。饱和区特性在Vds较大时,展开式中的二阶项不能忽略,(18)式为:(非饱和区)(21)这里:m:体效应系数,典型值:1.1~1.4;当体电荷效应可以忽略时,m=1Cdm:在S=2B时的体耗尽电容(22)]2)[(2dsdstgoxeffdsVmVVVLWCIdmoxoxdmoxBaSiWtCCCqNm3114/1饱和区特性阈值电压由(20),(22)式得出(21)式表明,当Vd增加时,在最大值或饱和值达到之前,Ids是Vds的抛物线函数。当时饱和区(23)方程(18)和(21)当VdsVdsat时有效,在这个范围之外,电流仍为饱和电流。dmSidmWC/oxoxoxtC/3/oxSioxBaSiBfbtCqNVV42(20)BfbtmVV2)12(mVVVVtgdsatds/)(mVVLWCItgoxeffds2)(2长沟MOSFETIds—Vds关系曲线夹断点和电流饱和当V2B时,(17)式为:(展开17时只保留前两项)(24)此式所画曲线如图下页所示。源端:漏端:)()(mVVVCVQtgoxi)()0(tgoxiVVCVQ)()(dstgoxdsimVVVCVVQ反型层电荷密度与准费米势的关系当Vds较小时(线性区),漏端反型层电荷密度比源端的稍小;当Vds增加时(栅电压固定),电流增加;漏端反型层电荷密度减少;当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时,漏端反型层电荷密度减少到0;线性区(低漏电压)开始饱和时饱和时漏端表面沟道消失。叫夹断。饱和区外,沟道长度开始减小当VdsVdsat时,夹断点向源端移动,但漏电流基本不变。这是因为夹断点的电压仍为饱和电压。夹断点和电流饱和由(9)式:(25)夹断后器件的特性可以把上式从0到y积分得到(26)上式积分利用了(24)式;把(21)代入(26)得:(27)由(24)式:dVVQWdyIVdsatieffLds00)]([]2)[()]([20VmVVVWCdVVQWyItgoxeffVieffds22)(2)()(dsdstgtgtgVLyVmVVLymVVmVVyV)(yVmVVmCQtgoxi准费米势与源漏之间距离的关系当Vds较小时,源漏之间的V(y)几乎是线性的;当Vds增加时,由于电子的准费米能级降低,漏电荷密度减小;由于dV/dy增加,使电流基本保持不变;当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时,Qi(y=L)=0,dV/dy=,这意味着电场沿y方向的变化大于沿x方向的变化,渐变近似不再适用。从夹断点到漏端要解二维Poisson’s方程。Vds2B时,方程(17)Qi=0和方程(18)dIds/dVds=0,并且V=Vdsat得:(28))2(22222oxaSifbgoxaSioxaSiBfbgdsatCqNVVCqNCqNVVV计算的Ids—Vds关系曲线实线(3.18);点划线:(3.21)pMOSFETI-V特性MOSFET的特性曲线第4节亚阈特性漏电流的漂移和扩散分量亚阈区电流表达式亚阈区斜率MOSFET工作的三个区域MOSFET器件一般可分为三个区域:线性区;饱和区;亚阈区弱反型导电亚阈也叫弱反型导电:当VgsVt(VGSVt)时源漏之间的漏电,成为弱反型导电或次开启。弱反型导电原因一般情况下,VgsVt时器件的电流为“0”。但在某些重要应用中,非常小的电流也是不能忽略的。在低压、低功耗应用中,亚阈特性很重要。如:数字逻辑和存储电路原因:当VGSVt时表面处就有电子浓度,如公式(11)所示。即当表面不是强反型时就存在电流。主要是源与沟道之间的扩散电流。VGSVon为弱反型;VGSVon为强反型(11)]/)(exp[),(),(2kTVqNnVnyxnai漏电流的漂移和扩散分量强反型时:以漂移电流为主;弱反型时:源与沟道之间的扩散电流弱反型时,漂移和扩散电流均包含在PaoandSah’s双积分公式(13)中电流连续是指漂移和扩散电流之和连续。换句话说,在任一点漂移电流和扩散电流的比例很可能变化。在低漏电压下,可以用方程(14)中隐含的(V)关系,分离漂移电流和扩散电流。dVdVEkTVqNnLWqIVdsaieffdsSB)),(]/)(exp[)/((02亚阈区电流表达式(35)或(36))1()(4/)/)(2kTqVmkTVtVgqBaSieffdsdseeqkTqNLWI)1())(1(/)/)(2kTqVmkTVtVgqoxeffdsdseeqkTmLWCI亚阈区斜率当Vds是几倍kT/q时,扩散电流占统治地位,漏电流与漏电压无关,只与栅电压有关。斜率定义(图3.10)(37)由方程(22)知,由方程(22)知:S的典型值为:70—100mV/decade,如果Si-SiO2界面陷阱密度较高,斜率很可能比方程(37)给出的大。)1(3.23.2))(log(110oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdSoxdmCCm/1第5节衬底偏置效应和温度特性对阈值电压的影响体效应阈值电压的温度特性体效应MOSFET衬底偏置效应等效电路体效应(17)方程(17)变为:(38)这里:V是沟道中的任一点与衬底之间的反向偏压。对Qi从源(Vbs)到漏(Vbs+Vds)积分得电流的表达式为:((18)是变为)(18)(39)]2[2)2(BaSiBfbgoxd