場效應(yīng)晶體管-MOSFET第一頁，共83頁。N溝MOSFET剖面圖第二頁，共83頁。溝道電荷在體內(nèi)靠近氧化層界面處的積累第三頁，共83頁。沿溝道的能帶圖第四頁，共83頁。MOSFET結(jié)構(gòu)與能帶圖第五頁，共83頁。半導(dǎo)體表面的能帶圖閾值電壓表面勢第六頁，共83頁。各種類型半導(dǎo)體中的能帶圖增強(qiáng)型NFET增強(qiáng)型PFET耗盡型NFET耗盡型PFET第七頁，共83頁。MOSFET的示意符號第八頁，共83頁。源漏電壓為零時(shí)的NFET垂直溝道的能帶圖和沿溝道的能帶圖VOX

：柵電壓VG

降落在SiO2

絕緣層上的部分VS

：柵電壓VG

降落在半導(dǎo)體表面的部分VFB

：平帶電壓第九頁，共83頁。一定偏壓下NFET垂直溝道的能帶圖和沿溝道的能帶圖第十頁，共83頁。典型的MOSFET特性第十一頁，共83頁。不同電壓下沿溝道方向的能帶圖第十二頁，共83頁。MOSFET就是一個壓控電阻。這個電阻位于源漏之間，通過控制提供電導(dǎo)的溝道載流子數(shù)來控制源漏間的溝道電導(dǎo)。在MOSFET，通過調(diào)節(jié)柵壓控制半導(dǎo)體能帶彎曲來實(shí)現(xiàn)。柵壓迫使導(dǎo)帶底更加靠近或者遠(yuǎn)離費(fèi)米能級。第十三頁，共83頁。三、平衡狀態(tài)下的MOSFET定量分析NFET的結(jié)構(gòu)與縱向、橫向電場長溝模型L>5um~10um第十四頁，共83頁。第十五頁，共83頁。單位面積氧化層電容第十六頁，共83頁。飽和電流與飽和電壓的定義第十七頁，共83頁。飽和電流曲線溝道載流子遷移率第十八頁，共83頁。電流飽和效應(yīng)的說明第十九頁，共83頁。電流飽和效應(yīng)的進(jìn)一步說明

第二十頁，共83頁。溝道長度調(diào)制效應(yīng)不同柵壓下n溝MOSFET特性曲線第二十一頁，共83頁。溝道長度效應(yīng)的定性解釋漏極電壓增加，有效溝道長度減少漏極電壓增加，閾值電壓數(shù)值減少第二十二頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(5)PMOSFET特性結(jié)構(gòu)與特性與NMOSFET完全相同，但（1）PN（2）電流與電壓極性相反（3）溝道中空穴的流動代替電子PMOSFET中，源處于高電勢，在CMOS中與電源相聯(lián)，并且N襯底（或Well）也與電源相聯(lián)。NMOSFET中，P型襯底與地相聯(lián)。使CMOS中n-well-p-substrate反偏。第二十三頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第二十四頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)3.MOSFET溝道遷移率有效遷移率與有效電場有效遷移率與有效電場之間存在一通用公式，它不依賴于襯底偏壓，摻雜濃度及柵氧化層厚度。第二十五頁，共83頁。橫向電場對遷移率的影響除晶格散射和電離雜質(zhì)散射，F(xiàn)ET溝道中的電子還要經(jīng)受與溝道壁碰撞引起的附加散射，使低場遷移率降低到體遷移率的1/2。第二十六頁，共83頁。第二十七頁，共83頁。能帶彎曲的增加導(dǎo)致橫向電場增大影響導(dǎo)帶底斜率的因素：1、固定電荷QB2、溝道中有可動電荷Qch橫向電場強(qiáng)度隨溝道的摻雜濃度、偏置條件以及在溝道中的深度而改變第二十八頁，共83頁。N溝MOSFET的低場遷移率隨VGS的變化第二十九頁，共83頁。考慮橫向點(diǎn)電場影響前后的計(jì)算結(jié)果比較第三十頁，共83頁?？v向電場對溝道遷移率和溝道電子速度的影響縱向電場對溝道遷移率的影響光學(xué)聲子散射引起的兩次碰撞之間平均自由時(shí)間減小的結(jié)果第三十一頁，共83頁。簡單模型和考慮載流子速度飽和模型計(jì)算的電流電壓曲線縱向電場對電流的影響相當(dāng)于溝道長度變長第三十二頁，共83頁。飽和電壓隨溝道長度的變化飽和電壓隨溝道長度的減小而減小第三十三頁，共83頁。飽和電流隨溝道長度的變化關(guān)系第三十四頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)電子遷移率：高電場作用下增強(qiáng)了表面粗糙散射的作用，使遷移率下降更快。對一定摻雜，由于庫倫（雜質(zhì)）散射的作用，存在一有效電場，其下的遷移率低于通用值。在高摻雜或低的柵壓條件下，庫倫散射的作用為主，但當(dāng)反型層電荷濃度較高時(shí)由于屏蔽作用會使該作用減弱。低溫下，低電場時(shí)庫倫散射為主，高電場時(shí)表面散射為主。第三十五頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第三十六頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)空穴遷移率：第三十七頁，共83頁。相關(guān)串聯(lián)電阻第三十八頁，共83頁。簡單長溝模型、考慮速度飽和的模型以及考慮串聯(lián)電阻的電流電壓曲線。第三十九頁，共83頁。飽和電流與飽和電壓的定義第四十頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)4.亞閾值特性：數(shù)字邏輯和存儲電路中（P342，8.3）在有幾十萬甚至上百萬個晶體管的集成電路中，關(guān)態(tài)電流可以造成可觀的功耗，并引起溫度升高。1/n表示VGS-VT中影響源溝道勢壘的部分所占的比例。ΔVch(y=0)溝道源端處相對于源極的溝道電壓。第四十一頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)線性坐標(biāo)半對數(shù)坐標(biāo)第四十二頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)數(shù)字邏輯和存儲電路中低漏電壓V→0：漏電流(∞dV/dy)中的漂移場(∞dψs/dy)

與擴(kuò)散:強(qiáng)反型：漂移電流為主(dψs/dV→1)亞閾值：擴(kuò)散電流為主(dψs/dV→0)第四十三頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第四十四頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)亞閾值電流第二項(xiàng)（反型層電荷密度Qi）遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)（耗盡層電荷密度Qd）第四十五頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)亞閾值擺幅：（漏電流變化10倍所對應(yīng)的柵壓變化）不大依賴于器件參數(shù)，微依賴于摻雜濃度第四十六頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第四十七頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)5.襯底偏壓和溫度對閾值電壓的影響襯底的敏感（體效應(yīng)）襯偏電壓就是為了防止MOSFET的場感應(yīng)結(jié)以及源結(jié)和漏結(jié)發(fā)生正偏、而加在源-襯底之間的反向電壓。對于加有襯偏電壓的MOSFET，從工作本質(zhì)上來說，可看成是由一個MOSFET和一個JFET并聯(lián)而成的器件，只不過其中JFET的作用在此特別稱為MOSFET的體效應(yīng)而已。這就是說，加上襯偏電壓也就相當(dāng)于引入了一個額外的JFET。JFET的功能——溝道-襯底的場感應(yīng)p-n結(jié)作為柵極控制著輸出電流IDS的大小第四十八頁，共83頁。MOSFET在出現(xiàn)溝道（反型層）以后，雖然溝道下面的耗盡層厚度達(dá)到了最大（這時(shí)，柵極電壓即使再增大，耗盡層厚度也不會再增大）；但是，襯偏電壓是直接加在源-襯底之間的反向電壓，它可以使場感應(yīng)結(jié)的耗盡層厚度進(jìn)一步展寬，并引起其中的空間電荷面密度增加，從而導(dǎo)致器件的閾值電壓VT升高。而閾值電壓的升高又將進(jìn)一步影響到器件的IDS及其整個的性能，例如柵極跨導(dǎo)降低等。襯底摻雜濃度越高，襯偏電壓所引起的空間電荷面密度的增加就越多，則襯偏效應(yīng)越顯著由于襯偏電壓將使場感應(yīng)結(jié)的耗盡層厚度展寬、空間電荷面密度增加，所以，當(dāng)柵極電壓不變時(shí)，襯偏電壓就會使溝道中的載流子面電荷密度減小，從而就使得溝道電阻增大，并導(dǎo)致電流減小、跨導(dǎo)降低。襯偏效應(yīng)對器件性能的影響背柵調(diào)制作用第四十九頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第五十頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)反向襯底偏壓加大了體耗盡區(qū)的寬度，提高了閾值電壓。第五十一頁，共83頁。①把源極和襯底短接起來，當(dāng)然可以消除襯偏效應(yīng)的影響，但是這需要電路和器件結(jié)構(gòu)以及制造工藝的支持，并不是在任何情況下都能夠做得到的。例如，對于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以進(jìn)行源-襯底短接，而其中的p-MOSFET則否；對于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以進(jìn)行源-襯底短接，而其中的n-MOSFET則否。②改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)來減弱襯偏效應(yīng)。例如，對于CMOS中的負(fù)載管，若采用有源負(fù)載來代替之，即可降低襯偏調(diào)制效應(yīng)的影響（因?yàn)楫?dāng)襯偏效應(yīng)使負(fù)載管的溝道電阻增大時(shí),有源負(fù)載即提高負(fù)載管的VGS來使得負(fù)載管的導(dǎo)電能力增強(qiáng)）。減弱或消除襯偏效應(yīng)的措施第五十二頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)溫度的影響：（通常在1mV/K）第五十三頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)閾值電壓下降和亞閾值斜率的退化→MOSFET器件零柵壓時(shí)的漏電流在100C是室溫的30-50倍。第五十四頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)

長溝道MOSFETs第五十五頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第五十六頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)1.

漏電流模型反型層電荷密度與準(zhǔn)費(fèi)米勢第五十七頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第五十八頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)漸變溝道近似:

溝道方向上的電場變化遠(yuǎn)小于垂直于溝道方向的電場變化。泊松方程的一維求解。并忽略溝道中的產(chǎn)生與復(fù)合效應(yīng)第五十九頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)

第六十頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)Pao和Sah’s雙積分：反型區(qū)

第六十一頁，共83頁。第六十二頁，共83頁。第六十三頁，共83頁。第六十四頁，共83頁。第六十五頁，共83頁。第六十六頁，共83頁。第六十七頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)2。MOSFET電流電壓特性(1)電荷層近似：反型層中無電勢降落或能帶彎曲。第六十八頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(2)線性區(qū)的電流電壓特性閾值電壓Vt第六十九頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第七十頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)線性區(qū)第七十一頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(3)飽和區(qū)的電流電壓特性體效應(yīng)系數(shù)：第七十二頁，共83頁。第七十三頁，共83頁。第七十四頁，共83頁。第七十五頁，共83頁。第七十六頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第七十七頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)飽和區(qū)第七十八頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)

(4)夾斷和電流飽和溝道漏端的表面溝道在飽和狀態(tài)產(chǎn)生消失。第七十九頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)夾斷區(qū)第八十頁，共83頁。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)第八十一頁，共83頁。