半導(dǎo)體器件物理II必背公式+考點(diǎn)摘要

半二復(fù)習(xí)筆記1.1 MOS結(jié)構(gòu)費(fèi)米勢：禁帶中心能級(jí)(EFi)與費(fèi)米能級(jí)(EF)之差的電勢表示2. 表面勢：半導(dǎo)體表面電勢與體內(nèi)電勢之差，體內(nèi) EFi和表面EFi之差的電勢表示3.金半功函數(shù)差5.P溝道閾值電壓7. 注意faifn是個(gè)負(fù)值MOS原理MOSFET非飽和區(qū)IV公式跨導(dǎo)定義：VDS一定時(shí)，漏電流ID隨VGS變化率，反映了VGS對(duì)ID的控制能力提高飽和區(qū)跨導(dǎo)途徑襯底偏置電壓VSB>0，其影響背柵定義：襯底能起到柵極的作用。VSB變化，使耗盡層寬度變化，耗盡層電荷變化；若VGS不變，則反型溝道電荷變化，漏電流變化頻率特性MOSFET頻率限制因素：①溝道載流子的溝道運(yùn)輸時(shí)間（通常不是主要的限制因素）②柵電容充放電需要時(shí)間截止頻率：器件電流增益為1時(shí)的頻率高頻等效模型如下：柵極總電容 CG看題目所給條件。若為理想，CgdT為0，CgsT約等于Cox，即CG=Cox；非理想情況即柵源、柵漏之間有交疊，產(chǎn)生寄生電容：① CgdT的L為交疊部分長度②CgsT的L為L+交疊部分長度（ CgsT=Cgs+Cgsp）。提高截止頻率途徑CMOS開關(guān)特性閂鎖效應(yīng)過程非理想效應(yīng)MOSFET亞閾特性亞閾值電流：弱反型態(tài)：勢壘較低→電子有一定幾率越過勢壘→形成亞閾值電流②關(guān)系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括號(hào)部分≈1，IDsub近似與VDS無關(guān)④亞閾值擺幅 S：漏電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所需的柵壓變化量，

S是量化

MOS管能否隨柵壓快速關(guān)斷的參數(shù)。⑤快速關(guān)斷：電流降低到 Ioff 所需VGS變化量小。因此 S越小越好⑥亞閾特性的影響：開關(guān)特性變差： VGS=0時(shí)不能理想關(guān)斷；靜態(tài)功耗增加⑦措施：提高關(guān)斷 /待機(jī)狀態(tài)下器件的閾值電壓 VT（如通過襯底和源之間加反偏壓，使VT增加）、減小亞閾值擺幅溝長調(diào)制效應(yīng)（VDS↑?ID↑）機(jī)理理想長溝：L`≈L，導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻近似不變，溝)：L`<L ，導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻減小， ID增加,

飽和區(qū)電流飽和；實(shí)際器件

(短②夾斷區(qū)長度③修正后的漏源電流④影響因素襯底摻雜濃度 N越小? L的絕對(duì)值越大?溝道長度調(diào)制效應(yīng)越顯著；溝道長度 L越小? L的相對(duì)值越大 ?溝道長度調(diào)制效應(yīng)越顯著遷移率變化概念：MOSFET載流子的遷移率理想情況下：近似為常數(shù)；實(shí)際受溝道內(nèi)電場的影響，遷移率非常數(shù)。VGS↑→垂直電場↑→漂移運(yùn)動(dòng)的電子更接近于氧化層和半導(dǎo)體的界面→表面散射增強(qiáng)，載流子的表面遷移率 μ下降②影響：漏電流、跨導(dǎo)隨柵壓增加而增加的趨勢減緩速度飽和①概念：E較低時(shí)，μ為常數(shù)，半導(dǎo)體載流子漂移速度v與溝道方向電場E正比；E較高時(shí)，達(dá)到一臨界電場EC時(shí)，載流子漂移速度v將達(dá)到飽和速度vSat，使載流子的μ下降②影響：使電流飽和原因：③易發(fā)生情況：短溝器件， U大L小，E大，易達(dá)到飽和 Ec④考慮速度飽和后的飽和漏源電流⑤跨導(dǎo)：與偏壓、溝長無關(guān)⑥截止頻率：與偏壓無關(guān)彈道輸運(yùn)特點(diǎn)：① 溝道長度 L<μm，小于散射平均自由程②載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)大部分沒有一次碰撞③高速器件:不經(jīng)散射的速度大于經(jīng)歷散射的平均漂移速度非彈道輸運(yùn)特點(diǎn)：溝道長度 L>μm，大于散射平均自由程；載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需經(jīng)過多次散射；因經(jīng)歷多次散射，載流子運(yùn)動(dòng)速度用平均漂移速度表征按比例縮小按比例縮小的參數(shù)：器件尺寸參數(shù)（ L，tox，W，xj）：k倍摻雜濃度（Na，Nd）：1/k倍電壓V：k倍電場E：1倍耗盡區(qū)寬度 Xd：k倍電阻R（與L/W成正比）：1倍;總柵電容（與 WL/tox成正比）:k 倍漏電流I（與WV/L成正比):k 倍閾值電壓調(diào)整短溝道效應(yīng)（L↓?VT↓）①概念：隨著溝長 L變短，柵壓VG可控空間電荷區(qū)僅僅為下方梯形→可控耗盡層電荷占耗盡層越來越少→使得可控 Qsd變小，VT下降②影響因素：↓→VTN↓↑→VTN↓c. VDS>0→漏襯n+p反偏壓↑ →Qsd↓→VTN↓d.VSB↑→VTN↓（ VT絕對(duì)值更大，使 VT整體減小）窄溝道效應(yīng)（W↓?VT↑）概念：表面耗盡層在寬度方向?qū)⒋嬖跈M向展寬現(xiàn)象→VGS作用下要產(chǎn)生中間矩形和兩側(cè)的耗盡層電荷→W越小，相同偏壓VG下能用來控制下方矩形部分的電壓V越少→VT隨W的↓而增大離子注入調(diào)整原理：通過離子注入技術(shù)向溝道區(qū)注入雜質(zhì)型襯底表面注入受主雜質(zhì)（如 B）→半導(dǎo)體表面凈摻雜濃度 Na↑→b.p 型襯底表面注入施主雜質(zhì)（如 P）→半導(dǎo)體表面凈摻雜濃度/Q`SDmax/↓→表面更容易反型→VT↓

Na↓→②離子注入關(guān)系P

型襯底加入受主雜質(zhì)：擊穿特性柵氧化層擊穿概念：VGS↑→氧化層電場強(qiáng)度Eox≥臨界電場強(qiáng)度EB，氧化層發(fā)生介電擊穿，柵襯短路，柵電流產(chǎn)生②影響因素：靜電使柵兩側(cè)出現(xiàn)電荷積累，易產(chǎn)生強(qiáng)電場使之擊穿③措施：a.設(shè)計(jì)和使用做好防靜電措施b.進(jìn)行電路設(shè)計(jì)漏襯pn結(jié)雪崩擊穿（溝道未形成）概念：結(jié)反偏壓VDS大到一臨界值BVDS，發(fā)生雪崩擊穿②雪崩擊穿：載流子從大 E獲得大能量，與晶格原子碰撞 →共價(jià)鍵斷裂，產(chǎn)生電子空穴對(duì) →產(chǎn)生的電子空穴也會(huì)從 E獲得能量，繼續(xù)碰撞→產(chǎn)生大量的電子被漏極收集 （加入ID），發(fā)生擊穿，產(chǎn)生的空穴注入襯底（產(chǎn)生 Isub）③影響因素：a.擊穿電壓BVnp，其為輕摻雜側(cè)摻雜濃度 Na的函數(shù)b.MOSFET 漏襯PN結(jié)的BVDS<BVnp：耗盡區(qū)的電場在拐角處（棱角電場）容易集中，大于平面處電場3. 溝道雪崩倍增效應(yīng)（ VGS>VT）①概念：發(fā)自

S端的載流子，形成電流

IS,

進(jìn)入溝道區(qū)，受溝道

E的加速→在

D端附近發(fā)生雪崩倍增→產(chǎn)生的電子被漏極收集

（加入

ID），產(chǎn)生的空穴注入襯底（產(chǎn)生

Isub）②影響因素：a.VDS越大，E越強(qiáng)，越容易誘發(fā)倍增b.VGS 越大，溝道載流子數(shù)越多，倍增越快， BVDS越小寄生晶體管擊穿（雪崩擊穿正反饋）概念前提：MOSFET存在寄生的雙極型晶體管雪崩擊穿→存在襯底電流

Isub，同時(shí)

Rsub不為零→寄生晶體管基極電勢增高，使源襯結(jié)正偏→電子由重?fù)皆磪^(qū)擴(kuò)散至襯底，一部分電子加入

ID

使ID↑→雪崩擊穿加?。ㄕ答仯谝装l(fā)生情況：短溝高阻襯底的 MOSFET短溝，基區(qū)較窄，注入溝道區(qū)的電子易被漏極收集，同時(shí)漏結(jié)附近的E較強(qiáng)，倍增效應(yīng)強(qiáng)高阻，Rsub大措施：重?fù)揭r底源漏穿通效應(yīng)（短溝器件）①概念：漏襯結(jié)的空間電荷區(qū)擴(kuò)展至和源襯結(jié)空間電荷區(qū)相接→導(dǎo)致源端和源漏之間半導(dǎo)體的勢壘高度降低→電子跨越勢壘高度由源區(qū)注入到源漏之間半導(dǎo)體區(qū)的幾率增加②影響：a.VGS=0時(shí)，源和溝道區(qū)勢壘高度被拉更低→源區(qū)電子注入到溝道區(qū)數(shù)量增多→亞閾值電流增加b.VDS ↑→源和溝道區(qū)勢壘高度降低→ ID指數(shù)↑→柵壓控制器件 ID能力下降②易發(fā)生情況：短溝高阻襯底的 MOSFET③措施：增大柵氧下方會(huì)發(fā)生穿通效應(yīng)的襯底濃度 NB、增大VSB6.LDD結(jié)構(gòu)的MOSFET①定義：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)（ LightlyDopedDrain ）②概念：在溝道的漏端及源端增加低摻雜區(qū)，降低溝道端口處的摻雜濃度及摻雜濃度的分布梯度③作用：降低溝道中漏附近的電場，提高器件的擊穿電壓輻射效應(yīng)與熱載流子效應(yīng)輻射效應(yīng)概念：x射線、γ射線等離化輻射將SiO2中的電子-空穴對(duì)打開，同時(shí)產(chǎn)生自由電子和自由空穴②影響：a.產(chǎn)生氧化層電荷產(chǎn)生界面態(tài)輻射總劑量越大，曲線斜率小，亞閾值擺幅增大熱載流子效應(yīng)熱載流子定義：熱載流子有效溫度Te高，若環(huán)境溫度為T，則平均能量（kTe）大于晶格能量（kT）的載流子。MOSFET的熱載流子，從VDS產(chǎn)生的E獲得能量②影響a. 熱載流子（能量高）越過 Si-SiO2 界面勢壘注入到 SiO2層中→被氧化層陷阱俘獲，氧化層電荷變化熱載流子越過界面，會(huì)打開Si-O鍵，產(chǎn)生界面態(tài)，使界面陷阱電荷變化表面散射增強(qiáng)，使遷移率下降被柵極收集，形成柵電流特點(diǎn)：是連續(xù)過程、易發(fā)生于短溝器件④措施：采用輕摻雜漏結(jié)構(gòu)（ LDD）原因：漏區(qū)摻雜濃度較低且分布梯度較緩， 電力線不易集中， 溝道中漏附近的電場降低；減緩熱載流子 的產(chǎn)生；減緩雪崩擊穿效應(yīng)，寄生雙極晶體管擊穿效應(yīng)JFET場效應(yīng)管與 MESFET1.MESFET基本結(jié)構(gòu)肖特基二極管特點(diǎn)反向飽和電流數(shù)量級(jí)更高②多子器件，無擴(kuò)散電容無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，開關(guān)特性好JFET理想直流特性內(nèi)建夾斷電壓Vp0：溝道夾斷時(shí)柵結(jié)總壓降,Vp0?>0夾斷電壓Vp：溝道夾斷時(shí)的柵源電壓，根據(jù)溝道類型可正可負(fù)直流特性①近似公式： ，IDSS為VGS=0時(shí)的溝道漏電流②閾電流： ，為JFET在VGS,Vbi均為0時(shí)的最大漏電流，無空間電荷區(qū)注意上式和 Nd有關(guān)，即漏電流與摻雜濃度成正相關(guān)；

因此跨導(dǎo)

gm也與摻雜濃度正相關(guān)JFET等效電路和頻率限制提高fT的方法減小柵長②降低柵電容③增加跨導(dǎo)④提高遷移率二維電子氣：2DEG指在兩個(gè)方向上