半导体器件物理MOSFET3..课件.ppt

西安电子科技大学
XIDIDIAN UNIVERSITY
第四章 MOS场效应晶体管
非理想效应
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场效应器件物理
第1页，共34页。
MOSFET 亚阈值电流: 定义
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亚阈页，共34页。
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MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(2)
表面迁移率（记为μeff）与反型层中垂直
方向的电场Eeff关系：
μ0和E0为实验曲线的拟合参数
μ0为低场表面迁移率
E0为迁移率退化时的临界电场
Eeff反型层中所有电子受到的平均电场，
与tox关系不明显，取决于氧化层下方
电荷：
μeff受温度影响大：晶格散射
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MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(3)
VGS增加，反型层电荷有效迁移率降低，漏电流、跨导随栅压增
加而增加的趋势变缓
对漏电流、跨导的影响
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MOSFET 迁移率变化:Si的情形
临界电场强度
饱和漂移速度
E较低时， μ为常数，半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比
E较高时，达到一临界电场EC时，载流子漂移速度将达到饱和速度
vSat ,使载流子的μ下降
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MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(2)
有效迁移率（记为μ）常用经验公式：
载流子速度饱和，VDS ↑,载流子v 不变,电流饱和：
若μ为常数，VDS↑， E↑,v ↑，直到漏端夹断，
发生夹断饱和
速度饱和时，器件还未发生夹断饱和，
属于提前饱和，
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MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应
饱和漏源电流与栅压成线性关系
饱和区跨导与偏压及沟道长度无关
截止频率与栅压无关
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MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应
VGS－VT<0：弱反型区，ID与VGS指数关系(较小)， gm与VGS指数关系
VGS－VT>0(较小)：强反型区，器件易发生夹断饱和，
ID与VGS 平方关系，中电流， gm与VGS线性关系
VGS－VT>0(很大)：器件很难发生夹断饱和，易发生速度饱和，
大电流，但跨导饱和。
模拟放大电路设计中：放大用MOSFET避免工作在速度饱和区，
因为跨导不变，消耗的电流（功耗）却在增加, 接近就OK，使gm较大
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MOSFET 阈值电压修正： VT与L、W的相关性
漏、源区扩散结深rj
表面空间电荷区厚度xdT
n沟道MOSFET
短沟道
长沟道
n沟道MOSFET
窄沟道
宽沟道
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MOSFET 阈值电压修正： VT随L的变化
利用电荷共享模型分析（实际MOSFET）：
源衬结和漏衬结的耗尽层向沟道区扩展
耗尽层内近S/D区的部分体电荷的电力线中止于源漏区
近似认为：左右下方两个三角形内的耗尽层电荷在VDB、VSB下产生，
只梯形内的空间电荷由VGS控制产生。
理想情况（长沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对少，近似
栅氧下方耗尽层电荷都是在VGS控制产生
实际情况（短沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对增加，实际需
VGS控制产生的电荷减少，VT减小
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MOSFET 阈值电压修正： VT随L的变化
沟道越短，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越小，VT越小
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MOSFET 阈值电压修正： VT随W的变化
MOSFET半导体表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象
中间矩形和两侧的空间电荷均在VGS作用下产生
理想情况(宽沟器件)：两侧空间电荷的量相对少，可忽略，只中间矩形内
的耗尽层电荷需要栅压产生
实际情况(窄沟器件)：两侧空间电荷的量相对多，不可忽略，阈值反型
点需VGS产生的耗尽层电荷增多，VT增大
沿沟宽W的器件剖面图
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MOSFET VT随W的变化:表面电荷
若栅边缘处耗尽层的扩展相等，均为耗尽层最大厚度XdT，则两侧为1/4圆
沟道越窄，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越大，VT越大
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通过离子注入技术向沟道区注入杂质调整V