半导体器件

1 2
= 0.87 µm
0.3 fF / µm 2 = = 0.12 fF / µm 2 5 1+ 0.9
反向击穿
• PN结的击穿电压是由耗尽区所能承受的最大电场Emax决 定。
Emax = 3 ×105V / cm ⇒ BV = 58.2V
• 两种击穿机理： 齐纳击穿：隧道击穿，当 PN结两边都是重掺杂时 发生。 雪崩击穿：雪崩碰撞倍增。
Qss 为氧化层中有效正电荷密度。 Qss有可能使NMOS的Vth为负值，解决的方法是沟道注入。
• 沟道离子注入
注入P型杂质，使沟道内的P型杂质浓度上升， 则： Qdep ↑, ∵ N A ↑, Φ B ↑ ,
(
)
∴VTH ↑
MOS晶体管的I-V特性
①பைடு நூலகம்推导电流方程
以NMOS为例，源和衬底接地，
VDS = 0
1 2
③ 加反偏电压
VR ↑⇒ x n ↑⇒ 宽度 ↑
P-N结耗尽区
耗尽区电荷和电容：
2ε 0ε si (Φ B + VR Qn = Q p = qN D xn = qN D qN D = [2ε 0ε si qN D (Φ B + VR
)

1
2
)]
)
1
2
dQn ε 0ε si qN D Cj = = dVR 2(Φ B + VR
1 W 2 I D = µ nCox (VGS − VTH ) 2 L
W I D ≈ µ nCox (VGS − VTH )VDS L
VDSat = Veff
（源漏饱和电压） 源漏饱和电压）
沟道长度调制
– 当 VDS > Veff 时，沟道夹断点从漏极向源极移动，有效 沟道长度下降，电流增加。 1 1 L + ∆L 1 ∆L – 推导： ' = 2 ≈ + 2 L = L − ∆L ⇒ ' = 2 L L − ∆L L − ∆L L L 假定 ∆L L = λVDS 1 W 2 ⇒ I D = µ nCox (VGS − VTH ) (1 + λVDS ) 2 L a) b) c) ID和VDS有关，不是一个恒定电流源。 参数 λ ∝ 1 VDS − Veff + Φ , L ↑⇒ λ ↓ L VDS 以上公式是长沟道公式，在Level1模型中，λ是常数
②
若：VGS
③
若在条件①
λ = 95 × 10 −3V −1 , VDS − Veff = 0.5V
I D = 73.6 µA × 1 + 0.5 × 95 × 10 −3 = 77.1µA
(
)
体效应
当衬底Vb相对源极Vs更负时，Qd增加，Vth增加。
VTH = VTH 0 + γ
(PMOS取 + 号，NMOS取 − 号)
Cox =
ε 0ε sio
tox
2
, ε sio2 = 3.9
理想的阈值电压
−4 • 例：氧化层厚度 tox = 50 A = 50 ×10 µm O
8.85 × 10 −14 × 10 −4 × 3.9 Cox = = 6.9 × 10 −15 F / um 2 50 × 10 − 4 = 6.9 fF / µm 2
16
−3
Φ B = Φ F (p ) − Φ F (n ) = 0.53 − (− 0.35) = 0.88V
P-N结耗尽区
耗尽区宽度：
2ε 0ε si Φ B NA xn = q N D (N A + N D )
1 2
2ε 0ε si Φ B ND xp = q N A (N A + N D )
本征载流子浓度
• 自由载流子：
– 热激发形成自由载流子 – 载流子的分布由费米能级和费米函数表示
F(E) =
1 + e (E -E F )/kT
1
– 本征载流子浓度：
n i = 3.9 ×1016 T 3/2 e -Eg0/2kT
室温下（300K）
n i = 1.45 × 1010 cm -3
T↑, ↑。 n i T每升高11度，Ni 为原来的2倍。
参杂半导体
• 掺入三家获五价原子，提供一个载流子。 • N型：掺入五价元素，如磷（P)、砷（As）， 提供一个电子，电子导电。 若：ND 是参杂浓度，D代表施主浓度 多子（电子）浓度： n n = N D 少子（空穴）浓度： Pn = n i2 / N D • P型：掺入三价元素，如硼（B)， 提供一个空穴，空穴导电。 若：NA 是参杂浓度，A代表施主浓度 多子（空穴）浓度： Pp = N A 少子（电子）浓度： n p = n i2 / N A
MOS晶体管的I-V特性
② 电流方程
a) 三极管区
VDS ≤ VGS − VTH
I D = µ nCox
W L
2 (VGS − VTH )VDS − 1 VDS 2
1 W µ n Cox (VGS − VTH )2 2 L
b)
饱和区
VDS > VGS − VTH
I D = I D ,max =
ε 0ε si qN D C j0 = 2Φ B
1 2
1
2
=
C j0 VR 1 + Φ B
1 2
=
ε 0ε si
xn
N D ↓⇒ xn ↑, C j 0 ↓
VR ↑⇒ xn ↑, C j 0 ↓
1 ⇒ m, 缓变结 2
举例
16 −3 N 已知：N A = 1019 cm −3， D = 10 cm
（ ）VR = 0 1
2ε 0ε si Φ B 2 2 × 8.85 × 10 −14 × 11.8 × 0.9 xn = = 1.6 × 10 −19 × 1016 qN D = 34 ×10 −6 cm = 0.34µm
1
ε 0ε si qN D 2 8.85 ×10 −14 ×11.8 ×1.6 ×10 −19 ×1016 Cj = = 2 × 0 .9 2Φ B = 30 ×10 −9 F/cm 2 = 0.3fF / µm 2
0
Cox [VGS − V ( x ) − VTH ]× W × µ n
dV ( x ) dx dx
W 1 2 I D = µ nCox (VGS − VTH )VDS − VDS L 2 W 工艺跨导参数 跨导参数 β = µ n Cox k = µ n Cox L 过驱动电压 Veff = (VGS − VTH )
VDS > 0 Qd ( x ) = Cox (VGS − VTH )× W
VG ≥ VTH
dV ( x ) I D = Q × v = Q × µE = Qd ( x )× µ n dx
Qd ( x ) = Cox [VGS − V ( x ) − VTH ]× W
∫
L
0
I D dx = ∫
VDS
1PF = 10 −12 F , 1 fF = 10 −15 F
1
举例
16 −3 N 已知：N A = 1019 cm −3， D = 10 cm
（2）VR = -5V
2ε ε (Φ + VR ) xn = 0 si B qN D C j0 Cj = 1 VR 2 1 + Φ B
P-N结
• 讨论P-N结反偏和耗尽区电容对了解寄生电容是 十分重要的
– 假定P是重掺杂，N是轻掺杂。
E
P+
Xp Xn
N−
耗尽区
– 空穴从P扩散到N区，留下固定的负电荷。在N区同样 会留下固定的正电荷，在界面处建立了电场。 扩散电流 = 漂移电流
P-N结耗尽区
PN结内建势
Φ B = Φ F (p ) − Φ F (n ) = kT N A N D ln q n i2
c)
深三极管区
VDS << 2(VGS − VTH )
电压控制的线性电阻： 电压控制的线性电阻：
W I D ≈ µ nCox (VGS − VTH )VDS L 1 Ron = W µ nCox (VGS − VTH ) L
MOS晶体管的I-V特性
I D = µ nCox W L 2 (VGS − VTH )VDS − 1 VDS 2
沟道长度调制
例：求漏源电流
µ nCox = 92µA / V 2 ,W L = 20 µ / 2µ , VTH = 0.8V ① 若参数：
VGS = 1.2V , VDS = Veff 1 20 2 I D = × 92 × 10 −6 × × (1.2 − 0.8) = 73.6µA 2 2 = 1.8V , VDS = Veff 1 20 2 I D = × 92 ×10 −6 × × (1.8 − 0.8) = 460µA 2 2
对NMOS， Qdep < 0, Φ F ( p) > 0 对PMOS， Qdep > 0, Φ F (n) < 0
Φ MS 由金属和栅之间的功函数决定 Φ MS = Φ F (sub ) − Φ F ( gate )
实际的阈值电压
• 栅氧化中的电荷陷阱
VTH = Φ MS + 2Φ F − Qdep COX − QSS Cox
⇒ I s = 1.346 × 10 −15 A ≈ 1 fA
实际的饱和电流可能大于理论值。
MOS器件
• 特点：
– – – – MOS器件是四端器件 一种载流子导电，是电压控制器件 MOS器件的源和漏端在几何上是等效的 有NMOS、PMOS两种器件