微电子器件原理-第7章长沟道MOSFETs

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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DS由SD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)(),(//22/22kTqeeNnkTqekTNdxdyxEkTqkTqVaikTqSiaByVy2)(),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)(])([0ydVVQLWIVdsieffdsPAO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[),(),(2kTVqNnVnyxnaiSBBSidVEkTVqNnqdddxVnqdxyxnqyQaixi),(]/)(exp[)/(),(),()(20dVdVEkTVqNnLWqIVdsaieffdsSB)),(]/)(exp[)/((02(13)PAO和SAH’s双积分(2.180)由和(2.180),(2)式得:oxSSfbgCQVV2/1/)(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=2B+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2B,硅电荷等于这个势的体耗尽层电荷时的栅电压。dstgoxeffdsoxBaSiBfbgoxeffdsVVVLWCVCqNVVLWCI)()42(oxBaSiBfbtCqNVV42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=1Cdm:在S=2B时的体耗尽电容(22)]2)[(2dsdstgoxeffdsVmVVVLWCIdmoxoxdmoxBaSiWtCCCqNm3114/1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VdsVdsat时有效,在这个范围之外,电流仍为饱和电流。dmSidmWC/oxoxoxtC/3/oxSioxBaSiBfbtCqNVV42(20)BfbtmVV2)12(mVVVVtgdsatds/)(mVVLWCItgoxeffds2)(2长沟MOSFETIds—Vds关系曲线夹断点和电流饱和当V2B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:dVVQWdyIVdsatieffLds00)]([]2)[()]([20VmVVVWCdVVQWyItgoxeffVieffds22)(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。Vds2B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;VGSVon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(110oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdSoxdmCCm/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

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