mosfet的重要特性.doc

MOSFET的重要特性(1)为什么E-MOSFET的阈值电压随着半导体衬底掺杂浓度的提高而增大?而随着温度的升高而下降?【答】E-MOSFET的阈值电压就是使半导体表面产生反型层(导电沟道)所需要加的栅极电压。对于n沟道E-MOSFET,当栅电压使得p型半导体表面能带向下弯曲到表面势ψs≥2ψB时,即可认为半导体表面强反型,因为这时反型层中的少数载流子(电子)浓度就等于体内的多数载流子浓度(~掺杂浓度);这里的ψB是半导体Fermi势,即半导体禁带中央与Fermi能级之差。阈值电压VT包含有三个部分的电压(不考虑衬偏电压时):栅氧化层上的电压降Vox;半导体表面附近的电压降2ΨB:抵消MOS系统中各种电荷影响的电压降——平带电压VF。在阈值电压的表示式中,与掺杂浓度和温度有关的因素主要是半导体Fermi势ψB。当p型半导体衬底的掺杂浓度NA提高时,半导体Fermi能级趋向于价带顶变化,则半导体Fermi势ψB增大,从而就使得更加难以达到ψs≥2ψB的反型层产生条件,所以阈值电压增大。当温度T升高时,半导体Fermi能级将趋向于禁带中央变化,则半导体Fermi势ψB减小,从而导致更加容易达到ψs≥2ψB的反型层产生条件,所以阈值电压降低。(2)为什么E-MOSFET的源-漏电流在沟道夹断之后变得更大、并且是饱和的(即与源-漏电压无关)?【答】E-MOSFET的沟道夹断是指栅极电压大于阈值电压、出现了沟道之后,源-漏电压使得沟道在漏极端夹断的一种状态。实际上,沟道在一端夹断并不等于完全没有沟道。当栅电压小于阈值电压时,则完全没有沟道,这是不导电的状态——截止状态。而沟道的夹断区由于是耗尽区,增加的源-漏电压也主要是降落在夹断区,则夹断区中存在很强的电场,只要有载流子到达夹断区的边缘,即可被电场拉过、从漏极输出,因此夹断区不但不阻止载流子通过,而相反地却能够很好地导电,所以有沟道、并且沟道在一端夹断的状态,是一种很好的导电状态,则沟道夹断之后的输出源-漏电流最大。E-MOSFET的沟道在漏极端夹断以后,由于夹断区基本上是耗尽区,则再进一步增加的源-漏电压,即将主要是降落在夹断区,这就使得未被夹断的沟道——剩余沟道的长度基本上保持不变;而在沟道夹断之后的源-漏电流主要是决定于剩余沟道的长度,所以这时的源-漏电流也就基本上不随源-漏电压而变化——输出电流饱和。(3)为什么短沟道E-MOSFET的饱和源-漏电流并不完全饱和?对于短沟道MOSFET,引起输出源-漏电流饱和的原因基本上有两种:一种是沟道夹断所导致的电流饱和;另一种是速度饱和所导致的电流饱和。对于沟道夹断的饱和,因为夹断区的长度会随着其上电压的增大而有所增大,则使得剩余沟道的长度也将随着源-漏电压而减短,从而就会引起源-漏电流相应地随着源-漏电压而有所增大——输出电流不完全饱和。不过,这种电流不饱的程度与沟道长度有关:对于长沟道MOSFET,这种夹断区长度随源-漏电压的变化量,相对于整个沟道长度而言,可以忽略,所以这时沟道夹断之后的源-漏电流近似为“饱和”的;但是对于短沟道MOSFET,这种夹断区长度随源-漏电压的变化量,相对于整个沟道长度而言,不能忽略,所以沟道夹断之后的源-漏电流将会明显地随着源-漏电压的增大而增加——不饱和。对于速度饱和所引起的电流饱和情况,一般说来,当电场很强、载流子速度饱和之