半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3

半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體概要載流子模型載流子輸運(yùn)pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導(dǎo)納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型JFET和MESFET簡介MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)基本概念JunctionFieldEmissionTransistor(JFET)20世紀(jì)20~30年代發(fā)明Non-linearvoltage-controlledresistorUseof“drain”and“source”foroutputloop“gate”and“source”forinputloopUsereverse-biasedP-Njuntiontocontrolcross-sectionofdeviceTotalresistancedependsonvoltageappliedtothegateJFET的結(jié)構(gòu)JFET的工作原理柵電壓控制耗盡區(qū)寬度P+P+DSGGn特性MESFET半絕緣GaAsN+N+N-GaAsDS肖特基接觸形成柵GJFET、MESFET和BJT的區(qū)別MESFET與JFET原理相同，不同點(diǎn)是MESFET中的柵結(jié)為肖特基結(jié)。FET的電流傳輸主要由多數(shù)載流子承擔(dān)，不出現(xiàn)少數(shù)載流子存儲效應(yīng)。有利于達(dá)到較高的截止額率和較快的開關(guān)速度。FET是電壓控制器件，BJT是電流控制器件。FET輸入阻抗高。高電平下JFET的漏極電流具有負(fù)的溫度系數(shù)，因而不致出現(xiàn)由于熱電正反饋而產(chǎn)生的二次擊穿，有利于高功率工作。FET由于是多子器件，抗輻照能力比較強(qiáng)。JFET與BJT及MOSFET工藝兼容．有利于集成。JFET、MESFET可以采用非硅材料制造。MOSFET與BJT的比較輸入阻抗高噪聲系數(shù)小功耗小溫度穩(wěn)定性好抗輻射能力強(qiáng)工藝要求高速度低MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET結(jié)構(gòu)基本工作原理VG是控制電壓。當(dāng)VG?VT，兩個背靠背二極管當(dāng)VG略小于VT時，表面耗盡層產(chǎn)生當(dāng)VG>VT時，表面反型分類N溝和P溝分類-1增強(qiáng)和耗盡硅表面理想硅表面鍵的排列從體內(nèi)到表面不變,硅體特性不受影響硅表面-1真實(shí)表面表面沾污(C,Oetc.)表面重構(gòu)硅表面-2表面鈍化最常見的鈍化材料:SiO2硅表面-3二氧化硅的寬禁帶阻止了半導(dǎo)體中載流子的逃逸能帶圖能帶圖-1無偏壓時MOS結(jié)構(gòu)中由于功函數(shù)差引起的表面能帶彎曲MOS結(jié)構(gòu)的基本公式MOS結(jié)構(gòu)的基本公式-1總電勢差:耗盡耗盡-1（邊界條件）反型反型-1耗盡層電荷:積累平帶Qsss=0,Qs=0,=0,flatbands<0,Qs>0,accumulations>0,Qs<0,depletions>0,Qs<0,weakinversions=2F,theonsetofstronginversions>2F,StronginversionFlatBandVoltage外加偏置基本定量公式柵電壓VG柵電壓VGMOS電容MOS電容電容的定義:MOS電容-1MOS電容-2積累態(tài):耗盡態(tài):MOS電容-3反型實(shí)驗(yàn)結(jié)果深耗盡從耗盡掃描到反型時,需要少子小結(jié)MOS基本結(jié)構(gòu)硅表面狀態(tài):耗盡反型積累平帶柵電壓關(guān)系MOS電容半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體概要載流子模型載流子輸運(yùn)pn結(jié)的靜電特性pn結(jié)二極管：I-V特性pn結(jié)二極管：小信號導(dǎo)納pn結(jié)二極管：瞬態(tài)特性BJT的基礎(chǔ)知識BJT靜態(tài)特性BJT動態(tài)響應(yīng)模型MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)MOSFET器件基礎(chǔ)JFET和MESFET簡介工作原理工作原理-1I-V特性的定量分析預(yù)備知識閾值電壓襯底表面開始強(qiáng)反型時的柵源電壓VT理想情況下（p型襯底）

閾電壓-1閾電壓-2VBS=0時的閾電壓VT(0)閾電壓-3實(shí)際的MOS器件中,QOX不為0,金屬/半導(dǎo)體功函數(shù)差MS也不等于0,當(dāng)VG=0時半導(dǎo)體表面已經(jīng)發(fā)生彎曲,為使能帶平直，需加一定的外加?xùn)艍喝パa(bǔ)償上述兩種因素的影響，這個外加?xùn)艍褐捣Q為平帶電壓，記為VFB。閾電壓-4VT的調(diào)整:襯底摻雜濃度二氧化硅厚度閾電壓-5VBS不為0時的閾電壓VBSNPNDrain閾電壓-6NMOSPMOS定義:則閾電壓-7襯偏調(diào)制系數(shù)的定義:閾電壓-8離子注入摻雜調(diào)整閾電壓一般用理想的階梯分布代替實(shí)際的分布按注入深度不同,有以下幾種情況:淺注入深注入中等深度注入閾電壓-9淺注入注入深度遠(yuǎn)小于表面最大耗盡層厚度，半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時，薄層中電離的受主中心的作用與界面另一側(cè)SiO2中Qox的作用相似。深注入階梯深度大于強(qiáng)反型狀態(tài)下的表面最大耗盡區(qū)厚度閾電壓-10中等深度注入有效遷移率載流子遷移率受材料內(nèi)部晶格散射和離化雜質(zhì)散射決定表面碰撞減低遷移率N+N+Lxy有效遷移率-1與柵電壓有關(guān)VG越大有效遷移率越小平方律理論非飽和區(qū)電流電壓方程薩方程(SPICE一級模型)基本假定:①襯底均勻摻雜。②長溝道器件，溝道兩端的邊緣效應(yīng)以及其他短溝道效應(yīng)不起作用；溝道寬度遠(yuǎn)大于溝道長度，與溝道電流垂直方向上的兩側(cè)邊緣效應(yīng)也不予考慮。③反型層內(nèi)載流子遷移率等于常數(shù)。④二氧化硅層電荷面密度QOX等于常數(shù)。⑤忽略漏區(qū)、源區(qū)體電阻及電極接觸電阻上的電壓降。⑥忽略源、漏PN結(jié)及場感應(yīng)結(jié)的反向漏電流。⑦強(qiáng)反型近似條件成立。⑧溝道導(dǎo)通時漂移電流遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電流。⑨緩變溝道近似條件成立，即與Si/SiO2界面垂直方向電場強(qiáng)度的數(shù)值遠(yuǎn)大于溝道流動方向上的電場強(qiáng)度數(shù)值。⑩忽略表面耗盡區(qū)電荷面密度沿溝道電流流動方向的變化。平方律理論-1①引用歐姆定律，列溝道電流密度方程。平方律理論-2②給出強(qiáng)反型表面勢的表達(dá)式柵下半導(dǎo)體表面不同位置上的表面勢不一樣表面耗盡區(qū)最大電荷面密度:假定10:平方律理論-3(3)求Qn(y)平方律理論-4④求ID0~L積分:平方律理論-5Qn(L)=0表示溝道漏端夾斷夾斷點(diǎn)移動到L’處:得平方律理論-6當(dāng)VDS>VDsat時，超過VDsat那部分外加電壓降落在夾斷區(qū)上。夾斷區(qū)是已耗盡空穴的空間電荷區(qū)，電離受主提供負(fù)電荷，漏區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)中的電離施主提供正電荷。漏區(qū)和夾斷區(qū)沿y方向看類似于一個N+P單邊突變結(jié)。當(dāng)夾斷區(qū)上電壓降增大時，夾斷區(qū)長度擴(kuò)大，有效溝道長度縮短。對于長溝道MOSFET，未夾斷區(qū)的縱向及橫向的電場和電荷分布基本上與VDS=VDsat時相同,漏極電流恒定不變，這就是電流飽和。體電荷理論假設(shè)10不成立時飽和區(qū)特性實(shí)際應(yīng)用的MOSFET，在飽和區(qū)工作時漏極電流都是不完全飽和的。ID隨VDS增加而緩慢上升兩種機(jī)理解釋：溝道長度調(diào)制效應(yīng)漏溝靜電反饋效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)VDS>VDsat時，漏端夾斷。當(dāng)L較短時：定義溝道長度調(diào)制系數(shù)：漏溝靜電反饋效應(yīng)對于制造在低摻雜襯底上的MOSFET，若源漏間距比較小，人們發(fā)現(xiàn)它的動態(tài)輸出電阻比具有同樣幾何結(jié)構(gòu)，但制造在高摻雜襯底上的MOSFET的動態(tài)輸出電阻低得多。對于這一現(xiàn)象，只是用溝道長度調(diào)制效應(yīng)已無法解釋，而必須考慮同時存在著的其他作用——漏場對溝道區(qū)的靜電反饋。漏溝靜電反饋效應(yīng)是指襯底低摻雜，溝道又比較短的情況下．漏襯PN結(jié)耗盡區(qū)寬度以及表面耗盡區(qū)厚度與幾何溝道長度可比擬時，漏區(qū)和溝道之間將出現(xiàn)明顯的靜電耦合，漏區(qū)發(fā)出的場強(qiáng)線中的一部分通過耗盡區(qū)中止于溝道。漏溝靜電反饋效應(yīng)-1外加附加源漏電壓將在漏PN結(jié)耗盡區(qū)靠近漏區(qū)邊界附近及溝道分別感應(yīng)出正負(fù)電荷，溝道中電子數(shù)量增加導(dǎo)致電阻減小，因而電流隨之增大。擊穿特性漏源擊穿電壓BVDS1．柵調(diào)制擊穿2．溝道雪崩倍增擊穿3．寄生NPN晶體管擊穿4．漏源穿通小信號特性和瞬變特性小信號參數(shù)柵跨導(dǎo)非飽和區(qū)跨導(dǎo):飽和區(qū)跨導(dǎo):提高跨導(dǎo):加大溝道寬長比W/L減薄柵氧化層厚度盡量采用NMOSFET結(jié)構(gòu)小信號特性和瞬變特性-1小信號參數(shù)襯底跨導(dǎo)提高襯底跨導(dǎo):提高表面遷移率增大W/L提高襯底摻雜濃度小信號特性和瞬變特性-3小信號參數(shù)漏源電導(dǎo)提高漏源電導(dǎo):提高表面遷移率增大W/L本征電容本征電容是指表示在本征MOSFET小信號及大信號等效電路中的電容元件，來源于晶體管的各個區(qū)域或各個電極上的儲存電荷隨引出端電位的變化。GSDB電容:CgsCgdCgbCbsCbdCds小信號模型本征MOSFET的中頻小信號模型短溝道效應(yīng)溝道長度縮短所帶來的問題是，可能出現(xiàn)與長溝道效應(yīng)，即按經(jīng)典的長溝道理論預(yù)示的特性的偏離，這些偏離就是短溝道效應(yīng)。一般來說，溝道長度和源漏耗盡區(qū)寬度可以比擬，或溝道寬度與柵下表面耗盡區(qū)厚度可以比擬時出現(xiàn)短溝通效應(yīng)。短溝道效應(yīng)-1短窄溝效應(yīng)電荷分享原理交界區(qū)的電離受主電荷一部分屬于表面耗盡區(qū)，另一部分屬于源漏耗盡區(qū)。短溝道效應(yīng)-3窄溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)短溝MOSFET實(shí)際測量的共源輸出特性與長溝特性相比，顯示出以下偏離：飽和漏源電壓及飽和漏電流都小于長溝理論預(yù)示值。IDsat與(VGS-VT)間不呈現(xiàn)平方律關(guān)系，