場(chǎng)效應(yīng)晶體管-MOSFET

1、N溝硅基MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖N溝MOSFET剖面圖溝道電荷在體內(nèi)靠近氧化層界面處的積累沿溝道的能帶圖MOSFET結(jié)構(gòu)與能帶圖0DSV半導(dǎo)體表面的能帶圖kTEECsfCeNn/)(fs2閾值電壓表面勢(shì)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PFETMOSFET的示意符號(hào)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thoxoxTGSVVkTEECsfCcheNn/)(fCchBEEEkTECsBeNn/SCBnNkTElnpBgsEEq1

2、pTGSVV一定偏壓下NFET垂直溝道的能帶圖和沿溝道的能帶圖0DSV典型的MOSFET特性不同電壓下沿溝道方向的能帶圖)源(LSDEnIdydEqECL1thoxoxTGSVVpBgsEEq1kTECsBeNn/MOSFET就是一個(gè)壓控電阻。這個(gè)電阻位于源漏之間，通過(guò)控制提供電導(dǎo)的溝道載流子數(shù)來(lái)控制源漏間的溝道電導(dǎo)。在MOSFET，通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓控制半導(dǎo)體能帶彎曲來(lái)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(jí)。NFET的結(jié)構(gòu)與縱向、橫向電場(chǎng))(y長(zhǎng)溝模型DSDVIL5um10um)()(yvyWQIchD)()()(yEyyvL)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 )()()

3、(ydVyyWQdyIchchD0,0DchIQTGSVVTGSVVoxtWXLtACoxoxoxtC單位面積氧化層電容0roxTGSGSchTGSTchGSchGSchGSchoxVVVQVVVQVQVQdVdQC0)()()()(GSchchVQQ)(TGSoxchVVCQ0DSV)()(yVVVCyQchTGSoxch)(yVVVchTGS飽和電流與飽和電壓的定義satDsatchWIQmin)()(yvyWQIchD)()(yVVVCyQchTGSoxch飽和電流曲線)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI溝道載流子遷移率)()()(ydVyyWQdyIchch

4、D222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI)(TGSDSsatVVV電流飽和效應(yīng)的說(shuō)明 2)()()0()()0()(2)()()()()2)(22oxDTGSTGSCchCCoxDTGSTGSchchchTGSoxDWCyIVVVVqEyqVEyEWCyIVVVVyVyVyVVVyWCI)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 電流飽和效應(yīng)的進(jìn)一步說(shuō)明 )()(21 1)()0(2)(1)(2TGSDSDSTGSDSTGSoxDGSoxDLoxDTGSoxDCchLVVVVVVVLVVWCIVVWCIWCyIVVWCIdydEqdydVy)0()(0LT

5、GSoxDVVWCIy溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng))(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI不同柵壓下n溝MOSFET特性曲線222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI溝道長(zhǎng)度效應(yīng)的定性解釋u漏極電壓增加，有效溝道長(zhǎng)度減少u漏極電壓增加，閾值電壓數(shù)值減少LLIVLLWCIDsatDSsatoxDsat1)(22LLLL111)(DSsatDSVVLL)(1DSsatDSDsatDVVII半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(5) P MOSFET特性特性結(jié)構(gòu)與特性與N MOSFET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(dòng)代替電子P MOSFET中，

6、源處于高電勢(shì)，在CMOS中與電源相聯(lián)，并且N襯底（或Well）也與電源相聯(lián)。N MOSFET中，P型襯底與地相聯(lián)。使CMOS 中n-well-p-substrate 反偏。 半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)P-SubstrateSiO2GateNPNVG=0WellSiO2GateP N PVG=0VsVVd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(chǎng)有效遷移率與有效電場(chǎng)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。oxtgoxBfbteffBfbtoxBasididSieffxxnefftVVtVVEVVCqNQQQEdxxndxxnii632)2(4)21

7、(1)()(00橫向電場(chǎng)對(duì)遷移率的影響橫向電場(chǎng)對(duì)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(chǎng)遷移率降低到體遷移率的1/2。tvl能帶彎曲的增加導(dǎo)致橫向電場(chǎng)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(dòng)電荷Qch橫向電場(chǎng)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N溝MOSFET的低場(chǎng)遷移率隨VGS的變化DSatDSatTGslfoxDsatchTGSlfVVVVLWCIVVV)2()(10)(1chTGSlfVVV考慮橫向點(diǎn)電場(chǎng)影響前后的計(jì)算結(jié)果比較縱向電場(chǎng)對(duì)溝道遷移率和溝道電子速度的影響縱向電場(chǎng)對(duì)溝道遷移率的影響光

8、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satLlflfsatLlfLlfvvv11簡(jiǎn)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)( 1)(21()1 ()1 (2/100TGSsatLTGSlflfsatDSatDSatDSsatDSatlfVchchlfDDSatDSsatDSlfVchchlfDVVvVVLvVVVLvVLdVQWIVVLvVLdVQWIDSatDS縱向電場(chǎng)對(duì)電流的影響縱向電場(chǎng)對(duì)電流的影響 相當(dāng)于溝道長(zhǎng)度變長(zhǎng)飽和電壓隨溝道長(zhǎng)度的變化飽和電壓隨溝道長(zhǎng)度的變化)( 1)(21(2/1TGSsatLTGSlflfsatDSatVVvVVLvV飽和電壓隨溝道長(zhǎng)度的

9、減小而減小飽和電流隨溝道長(zhǎng)度的變化關(guān)系半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)電子遷移率：高電場(chǎng)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(duì)一定摻雜，由于庫(kù)倫（雜質(zhì)）散射的作用，存在一有效電場(chǎng)，其下的遷移率低于通用值。在高摻雜或低的柵壓條件下，庫(kù)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(huì)使該作用減弱。低溫下，低電場(chǎng)時(shí)庫(kù)倫散射為主，高電場(chǎng)時(shí)表面散射為主。3/132500effeffE半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)空穴遷移率：)31(1idSieffQQE相關(guān)串聯(lián)電阻相關(guān)串聯(lián)電阻DchStotRRRR簡(jiǎn)單長(zhǎng)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。飽和電流與飽和電

10、壓的定義半導(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(chǔ)電路中（P342，8.3）在有幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)個(gè)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。)()(/ )(01)0(1)(oxDBDBoxoxGSchTGSnkTVVqDCCnCCCVyVnVVeIITGS1/n 表示VGS-VT中影響源溝道勢(shì)壘的部分所占的比例。Vch(y=0)溝道源端處相對(duì)于源極的溝道電壓。dmoxoxdmoxBaSiWtCCCqNm3114/1半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)線性坐標(biāo)半對(duì)數(shù)坐標(biāo)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)電路中低漏電壓V0：漏電流(dV/dy)中的漂移場(chǎng)(ds/dy) 與擴(kuò)散

11、:強(qiáng)反型：漂移電流為主 (ds/dV1)亞閾值：擴(kuò)散電流為主 (ds/dV0)/)(/()/(1)/(2/22/22oxsaSioxkTqaikTqaisCQqNCeNneNndVdss2/1/ )(222kTVqaisoxaSisfboxssfbgseNnkTqCkTNVCQVV半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)亞閾值電流2()/22/222()(1)2ssdsqVkTSiaiisaqkTqVkTSiaidseffsaqNnkTQeq NqNnWkTIeeLqN2/ 1/ )(222kTVqaisaSisSisseNnkTqkTNEQdsVieffdsdVVQLWI0)(第二項(xiàng)（反

12、型層電荷密度Qi）遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)（耗盡層電荷密度Qd）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(duì)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)1 (3 . 23 . 2)(log(110oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdS()/2()/22442(1)(2)()(1)4(1)()(1)gtdsgtdsSiasgfbsoxSiaBSiaBfbBsBoxoxq VVmkTqVkTSiadseffBq VVmkTqVkTdseffoxqNVVCqNqNVCCqNWkTIeeLqWkTorICmeeLq BBs22ln()ABiNkTqn半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京

13、大學(xué)5. 襯底偏壓和溫度對(duì)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(chǎng)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(duì)于加有襯偏電壓的MOSFET，從工作本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可看成是由一個(gè)MOSFET和一個(gè)JFET并聯(lián)而成的器件，只不過(guò)其中JFET的作用在此特別稱為MOSFET的體效應(yīng)而已。這就是說(shuō)，加上襯偏電壓也就相當(dāng)于引入了一個(gè)額外的JFET。JFET的功能溝道-襯底的場(chǎng)感應(yīng)p-n結(jié)作為柵極控制著輸出電流IDS的大小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(huì)再增大）；但是，襯偏電壓是直

14、接加在源-襯底之間的反向電壓，它可以使場(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(huì)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(duì)器件性能的影響 背柵調(diào)制作用半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)oxbsBaSibstoxbsBaSiBfbtbsBdsbsBoxa

15、sidsdsBfbgoxeffdsBaSiBfbbsgoxiCVqNdVdVCVqNVVVVVCqNVVVVLWCIVqNVVVVCQ)2(2/)2(22)2()2(322)22()2(2)2(2/32/3dsVieffdsdVVQLWI0)(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。把源極和襯底短接起來(lái)，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(duì)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(duì)于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以進(jìn)行源

16、-襯底短接，而其中的n-MOSFET則否。 改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)來(lái)減弱襯偏效應(yīng)。例如，對(duì)于CMOS中的負(fù)載管，若采用有源負(fù)載來(lái)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(lái)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)的措施半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)溫度的影響：TNNdTNNdanddTdEqdTNNdNNqkTNNNqkeNNNqkTdTddTdWheredTdCqNdTdEqdTdVCqNqEVvcvcgvcvcavckTEvcaBBoxBaSigtoxBaSiBgtg/2321)ln()ln()/1(21422/（通常在1mV/K）半導(dǎo)體器

17、件原理南京大學(xué)dTdEqmNNNqkmdTdVVgavctt123)ln()12(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。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué) 長(zhǎng)溝道 MOSFETs半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)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(shì)aBSidmBkTqkTqVaikTqSiakTVqaiqNyVyWyVykTqeeNnkTqekTNdxdyxEeNnyxn2)(2)(2)(), 0() 1() 1(2)(),(),(/22/22/ )(2半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)漸變溝道近似漸變溝道近似: 溝道方向上的

18、電場(chǎng)變化遠(yuǎn)小于垂直于溝道方向的電場(chǎng)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)dxdqndxdnqnkTdxdqnJnninn)(半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)dsdsVieffdsVieffLdsieffieffdsdVVQLWIdVVQWdyIVQdydVWyQdydVWyI000)()()()()(dxyxnqyQanddxdydVyxnqWyIdyydVyxnqyxJiixixndsnn00),()(),()()(),(),( 半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)2/ 1/ )(220/ )(22),()/(kTVqaisoxaSisfboxssfbgVkTVqaieffdssdsSBeNnkTq

19、CkTNVCQVVdVdVEeNnLWqIdVEeNnqdddxVnqVQeNnVnyxnSBBskTVqaiikTVqai),()/(),()(),(),(/)(2/)(2Pao和和Sahs雙積分：雙積分：反型區(qū)2/1/22/) 1() 1(2),(kTqeeNnkTqekTNyxEkTqkTqVaikTqSia 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(wú)電勢(shì)降落或能帶彎曲。)2()2(322)22()()2(2)2()2()()2(22/ 32/ 30BdsBoxasidsdsBfbgoxeffdsVieffdsBaSiBfbgoxdsiBfbgoxsfbgoxsBaSidmadVCqNVVVVLWCIdVVQLWIVqNVVVCQQQVVVCVVCQVqNWqNQds半導(dǎo)體器件原理南京