第七章長溝道MOSFETs

（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）7.1MOSFETs的基本工作原理7.2漏電流模型7.3MOSFETs的I-V特性7.4亞閾特性7.5襯底偏置效應(yīng)和溫度特性對閾值電壓的影響7.6MOSFET溝道遷移率7.7MOSFET電容和反型層電容的影響7.8MOSFET的頻率特性7.1MOSFETs的基本工作原理

MOSFET器件三維結(jié)構(gòu)圖四端器件：源（S）；漏（D）；柵（G）；襯底（B）N溝：p型襯底，源端用離子注入形成n+；P溝：n型襯底柵電極：金屬；重摻雜多晶硅。氧化層：熱氧化硅隔離：場氧化理想的p-MOS和n-MOS電容能帶圖(1)

理想的p-MOS和n-MOS電容能帶圖(2)

理想的p-MOS和n-MOS電容能帶圖(3)

理想的p-MOS和n-MOS電容能帶圖(4)

p-MOS電容接近硅表面的能帶圖MOSFET的四種類型及符號類型N溝MOSFETP溝MOSFET耗盡型增強型耗盡型增強型襯底PNS、D區(qū)N+P+溝道載流子電子空穴VDS>0<0IDS方向由DS由SD閾值電壓VT<0VT>0VT>0VT<0電路符號MOSFET符號7.2漏漏電流流模型型7.2.1本本征電電荷密密度與與準(zhǔn)費費米勢勢的關(guān)關(guān)系7.2.2緩緩變（（漸變變）溝溝道近近似7.2.3PAO和SAH’s雙積積分MOSFET器器件剖剖面圖圖以N溝溝增強強型MOSFET為為例x=0在硅硅表面面，指指向襯襯底，，平行行于柵柵電極極；y，平平行于于溝道道，y=0在源源端；；y=L在在漏端端，L：溝溝道長長度(x,y)：本本證勢勢；能能帶彎彎曲V(y)：：在y處電電子的的準(zhǔn)費費米勢勢,與與x無無關(guān)；；V(y=L)=Vds本征電電荷密密度與與準(zhǔn)費費米勢勢的關(guān)關(guān)系由方程程（2.150）和和（2.187）知知：(1)(2)表面反反型時時，（（2.190））為：：(3)最大耗耗盡層層寬度度：(4)緩變（（漸變變）溝溝道近近似緩變（（漸變變）溝溝道近近似：：電場場在y方向向（沿沿溝道道方向向）的的變化化[分分量]遠遠遠小于于沿x方向向（垂垂直于于溝道道方向向）的的變化化[分分量]。（（Ey<<Ex）有了這這個假假設(shè)后后Poisson’’s方方程可可以簡簡化為為一維維形式式。空穴電電流和和產(chǎn)生生和復(fù)復(fù)合電電流可可以忽忽略。。電流流連續(xù)續(xù)方程程只應(yīng)應(yīng)用于于y方方向的的電子子。有了上上述兩兩個假假設(shè)后后，任任一點點的漏漏源電電流是是相同同的。。由方方程（（2.45），，（x，y）處處的電電子電電流為為：(5)MOSFET器器件剖剖面圖圖緩變（（漸變變）溝溝道近近似V(y)定定義為為準(zhǔn)費費米勢勢；（（5））式包包括了了漂移移和擴擴散電電流密密度。。電流流為：：(6)反型層層底部部=B定義：：Ids>0；；漏源源電流流在-y方方向單位柵柵面積積反型型層電電荷：：(7)（6））是變變?yōu)椋海?8)上式兩兩邊乘乘以dy并并積分分得：：(9)(10)PAO和SAH’s雙積積分把（10））式用用n(x,y)表示示。由由（1）式式(11)把（11））式代代入（（7））式得得：(12)把（2）式式代入入（12））式然然后代代入（（10）式式得：：(13)PAO和SAH’s雙積積分（2.180））由和（（2.180）），（（2））式得得：（14）第3節(jié)節(jié)MOSFETI-V特性薄層電電荷近近似線性區(qū)區(qū)特性性飽和區(qū)區(qū)特性性夾斷點點和電電流飽飽和pMOSFETI-V特性性薄層電電荷近近似薄層電荷荷近似：：假設(shè)所有有的反型型層電荷荷均位于于硅表面面薄層內(nèi)內(nèi)，反型型層內(nèi)沒沒有電勢勢降和能能帶彎曲曲。耗盡層近近似被應(yīng)應(yīng)用于體體耗盡層層。一旦旦反型，，表面勢勢釘扎在在S=2B+V(y)，由（4）式，體體耗盡層電電荷密度：：（15）硅界面整個個電荷密度度為[由（（2.180）得]：（16）薄層電荷近近似反型層電荷荷密度：把（17））式代入（（10）式式并積分得得：（17）（18）線性區(qū)特性性在Vds較較小時，展展開（18）式并只只保留低階階項（一階階項）：（19）Vt是閾值值電壓：（20）閾值電壓的的物理意義義：金屬柵下面面的半導(dǎo)體體表面呈強強反型，從從而出現(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)電溝道時時所需加的的柵源電壓壓。表面勢或能能帶彎曲達達到2B，硅電荷等等于這個勢勢的體耗盡盡層電荷時時的柵電壓壓。線性區(qū)特性性，典典型值為0.6—0.9V。。Vg<Vt時，MOSFET中電流很很小，叫截截止區(qū)；Vg>Vt時，由（（19）式式知，MOSFET像一個電電阻一樣。。方塊電阻阻為：，受受柵電壓調(diào)調(diào)制。低漏電壓時時的Ids--Vg關(guān)系曲線閾值電壓的的確定：畫低漏電壓壓時的Ids與Vg的關(guān)系曲線線，由外推推法得到。。注意：Ids與Vg的關(guān)系曲線線是非線性性的，這是是因為薄層層電荷近似似在這個區(qū)區(qū)域不再是是有效的。。飽和區(qū)特性性在Vds較較大時，展展開式中的的二階項不不能忽略，，（18））式為：（非飽和區(qū)區(qū)）（（21））這里：m：體效應(yīng)應(yīng)系數(shù)，典典型值：1.1~1.4；當(dāng)當(dāng)體電荷效效應(yīng)可以忽忽略時，m=1Cdm：在S=2B時的體耗盡盡電容（22）飽和區(qū)特性性閾值電壓由由（20）），（22）式得出出（21）式式表明，當(dāng)當(dāng)Vd增加時，在在最大值或或飽和值達達到之前，，Ids是Vds的拋物線函函數(shù)。當(dāng)時時飽和區(qū)（（23））方程（18）和（21）當(dāng)VdsVdsat時有效，，在這個范范圍之外，，電流仍為為飽和電流流。（20）長溝MOSFETIds—Vds關(guān)系曲線夾斷點和電電流飽和當(dāng)V2B時，（17）式為：：（展開17時只保保留前兩項項）（24）此此式所畫畫曲線如圖圖下頁所示示。源端：漏端：反型層電荷荷密度與準(zhǔn)準(zhǔn)費米勢的的關(guān)系當(dāng)Vds較小時（線線性區(qū)），，漏端反型型層電荷密密度比源端端的稍??；；當(dāng)Vds增加時（柵柵電壓固定定），電流流增加；漏漏端反型層層電荷密度度減少；當(dāng)Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m時，，漏端反型型層電荷密密度減少到到0；線性區(qū)（低低漏電壓)開始飽和時時飽和時漏端端表面溝道道消失。叫叫夾斷。飽和區(qū)外，，溝道長度度開始減小小當(dāng)Vds>Vdsat時，夾夾斷點向源源端移動，，但漏電流流基本不變變。這是因為夾夾斷點的電電壓仍為飽飽和電壓。。夾斷點和電電流飽和由（9）式式：（（25））夾斷后器件件的特性可可以把上式式從0到y(tǒng)積分得到到（26）上式積分利利用了（24）式；；把（21））代入（26）得：：（27）由（24））式：準(zhǔn)費米勢與與源漏之間間距離的關(guān)關(guān)系當(dāng)Vds較小時，源源漏之間的的V(y)幾乎是線線性的；當(dāng)Vds增加時，由由于電子的的準(zhǔn)費米能能級降低，，漏電荷密密度減小；；由于dV/dy增增加，使電電流基本保保持不變；；當(dāng)Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m時，，Qi(y=L)=0，dV/dy=，這意味著著電場沿y方向的變變化大于沿沿x方向的的變化，漸漸變近似不不再適用。。從夾斷點點到漏端要要解二維Poisson’s方程。Vds>2B時，方程（（17）Qi=0和方程程（18））dIds/dVds=0，并且且V=Vdsat得：（28）計算的Ids—Vds關(guān)系曲線實線（3.18）；；點劃線：：（3.21）pMOSFETI-V特性性MOSFET的特性性曲線第4節(jié)亞閾閾特性漏電流的漂漂移和擴散散分量亞閾區(qū)電流流表達式亞閾區(qū)斜率率MOSFET工作的的三個區(qū)域域MOSFET器件一一般可分為為三個區(qū)域域：線性區(qū)；飽飽和區(qū)；亞亞閾區(qū)弱反型導(dǎo)電電亞閾也叫弱弱反型導(dǎo)電電：當(dāng)Vgs<Vt（VGS<Vt）時時源漏之間間的漏電，，成為弱反反型導(dǎo)電或或次開啟。。弱反型導(dǎo)電電原因一般情況下下，Vgs<Vt時器件的電電流為“0”。但在在某些重要要應(yīng)用中，，非常小的的電流也是是不能忽略略的。在低低壓、低功功耗應(yīng)用中中，亞閾特特性很重要要。如：數(shù)數(shù)字邏輯和和存儲電路路原因：當(dāng)VGS<Vt時表面處就就有電子濃濃度，如公公式（11）所示。。即當(dāng)表表面不是強強反型時就就存在電流流。主要是是源與溝道道之間的擴擴散電流。。VGS<Von為弱反型；；VGSVon為強反型（11）漏電流的漂漂移和擴散散分量強反型時：：以漂移電電流為主；；弱反型時：：源與溝道道之間的擴擴散電流弱反型時，，漂移和擴擴散電流均均包含在PaoandSah’s雙積分公公式（13）中電流連續(xù)是是指漂移和和擴散電流流之和連續(xù)續(xù)。換句話話說，在任任一點漂移移電流和擴擴散電流的的比例很可可能變化。。在低漏電壓壓下，可以以用方程（（14）中中隱含的(V)關(guān)系系，分離漂漂移電流和和擴散電流流。亞閾區(qū)電流流表達式（35）或（36）亞閾區(qū)斜率率當(dāng)Vds是幾倍kT/q時，，擴散電流流占統(tǒng)治地地位，漏電電流與漏電電壓無關(guān)，，只與柵電電壓有關(guān)。。斜率定義（（圖3.10）（37）由方程（22）知，由方程（22）知：：S的典型型值為：70—100mV/decade，如如果Si-SiO2界面陷阱密密度較高，，斜率很可可能比方程程（37））給出的大大。第5節(jié)襯底底偏置效應(yīng)應(yīng)和溫度特特性對閾值值電壓的影影響體效應(yīng)閾值電壓的的溫度特性性體效應(yīng)MOSFET襯底偏偏置效應(yīng)等等效電路體效應(yīng)（17）方程（17）變?yōu)椋海海?8）這里：V是是溝道中的的任一點與與襯底之間間的反向偏偏壓。對Qi從源（Vbs）到漏（Vbs+Vds）積分得電電流的表達達式為：（（（18））是變?yōu)椋?8）（39）體效應(yīng)（續(xù)續(xù)）在低漏電壓壓下，漏電電流仍由（（19）式式給出：在Vds較小時，展展開（18）式并只只保留低階階項（一階階項）：（19）閾值電壓Vt由：（（20））變?yōu)椋ǎ?0））反向襯底偏偏壓的影響響是：使體體耗盡層加加寬，閾值值電壓升高高。閾值電壓與與反向襯底底偏壓的關(guān)關(guān)系左圖曲線的的斜率（41）叫襯偏敏感感度。在Vbs=0時，當(dāng)Vbs增加時，襯襯偏敏感度度下降。閾值電壓的的溫度特性性平帶電壓：：（（2.181）假設(shè)不存在在氧化層電電荷，把（（2.181）代入入（20））式得：（42）在“0”襯襯偏電壓條條件下，閾閾值電壓與與溫度的關(guān)關(guān)系為：（43）（2.37）閾值電壓的的溫度特性性（續(xù)）（2.7））由方程（2.37））和（2.7）得：：（44）因為NcandNvT3/2，所以：閾值電壓的的溫度特性性（續(xù)）把方程（44）代入入方程（43）得：：（45）Na=1016cm-3，m=1.1時，dVt/dT典型值值為-1mV/K。。Na=1018cm-3，m=1.3時，dVt/dT典型值值為-0.7mV/K。摻雜濃度增增加時，溫溫度系數(shù)降降低。例：：溫度每升升高100度，閾值值電壓降低低55-75mV。。在數(shù)字VLSI電路路中，溫度度升高，閾閾值電壓下下降，漏電電流增加，，這是設(shè)計計中必須考考慮的問題題。典型值值：對于MOSFET器件，，100C時的開關(guān)關(guān)漏電流是是25C時的30-50倍倍。第6節(jié)MOSFET溝道遷遷移率有效遷移率率和有效電電場電子遷移率率數(shù)據(jù)空穴遷移率率數(shù)據(jù)有效遷移率率和有效電電場有效遷移率率（載流子子濃度權(quán)重重的平均值值）：（（46）有效電場定定義：（（47）是通過反型型層中間層層高斯表面面的總電荷荷。（2.161）（20）應(yīng)用（2.161））和（20）式得：：（48）（24）有效遷移率率和有效電電場（續(xù)））（48）、、（24））代入（47）得：：（49）上式應(yīng)用了了：；；因此，（50）電子遷移率率數(shù)據(jù)（51）當(dāng)時時，有效遷遷移率下降降很快。在在高電場時時，散射增增加。300K和和77K時時測量的電電子遷移率率空穴遷移率率數(shù)據(jù)（52）因子1/3是經(jīng)驗因因子，沒有有物理意義義。300K和和77K時時測量的空空穴遷移率率第7節(jié)MOSFET電容和和反型層電電容的影響響本證MOSFET電電容反型層電容容多晶硅柵耗耗盡層的影影響線性Ids--Vg特性7.1本證證MOSFET電容容--亞閾區(qū)反型層電荷荷變化可以以忽略，當(dāng)當(dāng)電勢變化化時，只有有耗盡層電電荷變化。。因此，本本證的柵-源-漏電電容基本上上是零（討討論在5.2.2部部分），柵柵-to-體電容等等于氧化層層電容和耗耗盡層電容容的串聯(lián)。。（53）Cd：電位面積積耗盡層電電容，在漏漏電壓較大大時，耗盡盡層寬度變變寬，耗盡盡層電容減減小。7.1本證證MOSFET電容容--線性區(qū)表面溝道一一旦形成，，由于反型型層電荷的的屏蔽作用用，柵-體體之間的電電容很小，，所有的柵柵電容是柵柵對溝道，，源極，漏漏極的電容容。由薄層層電荷理論論，低漏電電壓時：源端反型層層電荷面密密度：漏端反型層層電荷面密密度：柵下總的反反型層電荷荷：柵對溝道的的電容簡化化為氧化層層電容：：7.1本證證MOSFET電容容--飽和區(qū)（24）（27）在夾斷點（（飽和），，漏端電荷荷密度為0，飽和電電壓Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m，由由（24））式和（27）式得得，y點反反型層電荷荷面密度為為：（55）上式在溝道道長度和寬寬度方向積積分得總的的反型層電電荷為：柵-to-溝道電容容為：（（56）7.2反型型層電容以前的討論論均是在薄薄層電荷近近似的基礎(chǔ)礎(chǔ)上得出的的，一旦反反型，表面面勢被釘扎扎在S=2B,在此條件下下，反型層層電容可以以忽略不計計。但實際際上，反型型層有一定定的厚度，，反型后隨隨著柵電壓壓的增加，，表面勢也也會有一些些變化，這這時反型層層電容不能能忽略。Qi-Vg關(guān)系曲線線實線（零漏漏電壓時，，PaoandSah’’smodel））；虛線（（電荷控制制模型）7.2反型型層電容計計算（57）Cd近似為零，，因為一旦旦出現(xiàn)強反反型后，反反型層電荷荷將屏蔽耗耗盡層電荷荷。（2.164）（2.178）把上面3個個表達式代代入（57）式，積積分得：（58）7.3多晶晶硅柵耗盡盡層的影響響如果柵是未未摻雜的，，多晶硅柵柵耗盡也對對Qi-Vg關(guān)系曲線有有影響。多多晶硅耗盡盡區(qū)象一個個與氧化層層電容串聯(lián)聯(lián)的大電容容，當(dāng)柵電電壓較大時時，它使反反型層中的的電荷密度度減弱。在在高柵偏壓壓時，多晶晶硅耗盡層層的影響大大于反型層層電容影響響。（58）式增加加一個附加加項。與（（2.185）式推推導(dǎo)過程相相似。（59）Np：多晶硅柵柵有效的摻摻雜濃度。。柵電荷密度度：（（忽忽略體硅耗耗盡層電荷荷）為了使（59）式中中最后一項項可以忽略略，Np應(yīng)在1020cm-3范圍內(nèi)，尤尤其對于薄薄氧化層MOSFET。7.4線性性Ids--Vg特特性（50）（51）（10）由上述3式式可知，在在低漏電壓壓情況下（（線性區(qū)）），轉(zhuǎn)移特特性曲線為為：（60）跨導(dǎo)：7.4線性性Ids--Vg特特性（續(xù)））在高柵偏壓壓時，由于于遷移率減減小，漏電電流和跨導(dǎo)導(dǎo)均發(fā)生簡簡并效應(yīng)。。（61）反型層電容容和遷移率率簡并效應(yīng)應(yīng)

Ids--Vg關(guān)系特性性曲線點線：閾值值電壓的外外推值計算時假設(shè)設(shè)沒有考慮慮多晶硅耗耗盡第8節(jié)MOSFET的頻率率特性8.1MOSFET的柵跨跨導(dǎo)gm8.2小小信號襯底底跨導(dǎo)gmb8.3漏漏電導(dǎo)gd（MOSFET的非非飽和區(qū)漏漏電導(dǎo)）8.4飽飽和區(qū)漏電電導(dǎo)8.5MOSFET小信號號等效電路路模型8.6跨跨導(dǎo)截止頻頻率gm8.7截截止頻率fT8.8提提高MOSFET頻頻率特性的的途徑8.1MOSFET的柵跨跨導(dǎo)gm—定義表示柵源電電壓對漏電電流的控制制能力線性區(qū)：Vds小時，Vds大時，在飽和區(qū)：：8.1MOSFET的柵跨跨導(dǎo)gm—討論當(dāng)Vg一定時，跨跨導(dǎo)隨Vds的上升而線線性增加；；Vds=Vdsat時，跨導(dǎo)達達到最大值值；VdsVdsat時，跨導(dǎo)與與Vds無關(guān)，隨柵柵電壓的上上升而增加加。8.1MOSFET的柵跨跨導(dǎo)gm—柵電壓的影影響在飽和區(qū)，，跨導(dǎo)隨柵柵電壓的上上升而增加加，但柵電電壓上升到到一定值時時，跨導(dǎo)會會下降；原因：柵電電壓低時，，遷移率可可看成常數(shù)數(shù)，但柵電電壓大時，，遷移率隨隨電場強度度的增加而而下降，對對柵電壓的的增加起補補償作用。。8.1MOSFET的柵跨跨導(dǎo)gm—考慮速度飽飽和效應(yīng)后后源漏電壓壓對跨導(dǎo)的的影響線性區(qū)：Vds大時時8.1MOSFET的柵跨跨導(dǎo)gm—源漏電阻對對跨導(dǎo)的影影響有一部分電電壓將在源源、漏電阻阻上，實際際的跨導(dǎo)值值小于理論論值。8.2小小信號襯底底跨導(dǎo)gmb定義：表示襯底偏偏置電壓對對漏電流的的控制能力力。因此，，襯底的作作用可成為為另一個柵柵，也成為為“背柵””。8.3漏漏電導(dǎo)gd（MOSFET的非非飽和區(qū)漏漏電導(dǎo)）8.4飽飽和區(qū)漏電電導(dǎo)考慮溝道長長度調(diào)制效效應(yīng)后的電電導(dǎo)8.5MOSFET小信號號等效電路路模型8.6跨跨導(dǎo)截止頻頻率gmVGS：加在G、、S上的電電壓。低頻頻時，Cgs接近開路，，輸入信號號大部分降降落在Cgs上，在柵源源電容Cgs兩端感應(yīng)出出符號相反反的等量電電荷，使溝溝道電荷電電荷隨輸入入信號的變變化而變化化。頻率升高后