第七章長溝道MOSFETs

（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）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器件三維結構圖四端器件：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費費米勢勢的關關系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處電電子的的準費費米勢勢,與與x無無關；；V(y=L)=Vds本征電電荷密密度與與準費費米勢勢的關關系由方程程（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。空穴電電流和和產生生和復復合電電流可可以忽忽略。。電流流連續續方程程只應應用于于y方方向的的電子子。有了上上述兩兩個假假設后后，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））是變變為：：(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節節MOSFETI-V特性薄層電電荷近近似線性區區特性性飽和區區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：：假設所有有的反型型層電荷荷均位于于硅表面面薄層內內，反型型層內沒沒有電勢勢降和能能帶彎曲曲。耗盡層近近似被應應用于體體耗盡層層。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體體表面呈強強反型，從從而出現導導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；Vg>Vt時，由（（19）式式知，MOSFET像一個電電阻一樣。。方塊電阻阻為：，受受柵電壓調調制。低漏電壓時時的Ids--Vg關系曲線閾值電壓的的確定：畫低漏電壓壓時的Ids與Vg的關系曲線線，由外推推法得到。。注意：Ids與Vg的關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區域不再是是有效的。。飽和區特性性在Vds較較大時，展展開式中的的二階項不不能忽略，，（18））式為：（非飽和區區）（（21））這里：m：體效應應系數，典典型值：1.1~1.4；當當體電荷效效應可以忽忽略時，m=1Cdm：在S=2B時的體耗盡盡電容（22）飽和區特性性閾值電壓由由（20）），（22）式得出出（21）式式表明，當當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。當時時飽和區（（23））方程（18）和（21）當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關系曲線夾斷點和電電流飽和當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準費米勢的的關系當Vds較小時（線線性區），，漏端反型型層電荷密密度比源端端的稍小；；當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（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。飽和區外，，溝道長度度開始減小小當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：準費米勢與與源漏之間間距離的關關系當Vds較小時，源源漏之間的的V(y)幾乎是線線性的；當Vds增加時，由由于電子的的準費米能能級降低，，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節亞閾閾特性漏電流的漂漂移和擴散散分量亞閾區電流流表達式亞閾區斜率率MOSFET工作的的三個區域域MOSFET器件一一般可分為為三個區域域：線性區；飽飽和區；亞亞閾區弱反型導電電亞閾也叫弱弱反型導電電：當Vgs<Vt（VGS<Vt）時時源漏之間間的漏電，，成為弱反反型導電或或次開啟。。弱反型導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、低功功耗應用中中，亞閾特特性很重要要。如：數數字邏輯和和存儲電路路原因：當VGS<Vt時表面處就就有電子濃濃度，如公公式（11）所示。。即當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）中電流連續是是指漂移和和擴散電流流之和連續續。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)關系系，分離漂漂移電流和和擴散電流流。亞閾區電流流表達式（35）或（36）亞閾區斜率率當Vds是幾倍kT/q時，，擴散電流流占統治地地位，漏電電流與漏電電壓無關，，只與柵電電壓有關。。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節襯底底偏置效應應和溫度特特性對閾值值電壓的影影響體效應閾值電壓的的溫度特性性體效應MOSFET襯底偏偏置效應等等效電路體效應（17）方程（17）變為：：（38）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））是變為））（18）（39）體效應（續續）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））變為（（40））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關系左圖曲線的的斜率（41）叫襯偏敏感感度。在Vbs=0時，當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關系為：（43）（2.37）閾值電壓的的溫度特性性（續）（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）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，溫溫度系數降降低。例：：溫度每升升高100度，閾值值電壓降低低55-75mV。。在數字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時的開關關漏電流是是25C時的30-50倍倍。第6節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據空穴遷移率率數據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）應用（2.161））和（20）式得：：（48）（24）有效遷移率率和有效電電場（續））（48）、、（24））代入（47）得：：（49）上式應用了了：；；因此，（50）電子遷移率率數據（51）當時時，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據（52）因子1/3是經驗因因子，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--亞閾區反型層電荷荷變化可以以忽略，當當電勢變化化時，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。。（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（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礎上得出的的，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關系曲線有有影響。多多晶硅耗盡盡區象一個個與氧化層層電容串聯聯的大電容容，當柵電電壓較大時時，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應在1020cm-3范圍內，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）），轉移特特性曲線為為：（60）跨導：7.4線性性Ids--Vg特特性（續））在高柵偏壓壓時，由于于遷移率減減小，漏電電流和跨導導均發生簡簡并效應。。（61）反型層電容容和遷移率率簡并效應應

Ids--Vg關系特性性曲線點線：閾值值電壓的外外推值計算時假設設沒有考慮慮多晶硅耗耗盡第8節MOSFET的頻率率特性8.1MOSFET的柵跨跨導gm8.2小小信號襯底底跨導gmb8.3漏漏電導gd（MOSFET的非非飽和區漏漏電導）8.4飽飽和區漏電電導8.5MOSFET小信號號等效電路路模型8.6跨跨導截止頻頻率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gm—定義表示柵源電電壓對漏電電流的控制制能力線性區：Vds小時，Vds大時，在飽和區：：8.1MOSFET的柵跨跨導gm—討論當Vg一定時，跨跨導隨Vds的上升而線線性增加；；Vds=Vdsat時，跨導達達到最大值值；VdsVdsat時，跨導與與Vds無關，隨柵柵電壓的上上升而增加加。8.1MOSFET的柵跨跨導gm—柵電壓的影影響在飽和區，，跨導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，跨導會會下降；原因：柵電電壓低時，，遷移率可可看成常數數，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gm—考慮速度飽飽和效應后后源漏電壓壓對跨導的的影響線性區：Vds大時時8.1MOSFET的柵跨跨導gm—源漏電阻對對跨導的影影響有一部分電電壓將在源源、漏電阻阻上，實際際的跨導值值小于理論論值。8.2小小信號襯底底跨導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gd（MOSFET的非非飽和區漏漏電導）8.4飽飽和區漏電電導考慮溝道長長度調制效效應后的電電導8.5MOSFET小信號號等效電路路模型8.6跨跨導截止頻頻率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