第六章1MOSFET06

沟道中任一点的电流： Jn(x,y)=-q n(x,y)u(x,y)
x
y 假设
•正常工作区 nMOS VDS 常0,VBS 0
时 空穴电流Jp可以忽略
•Jn只沿y向流动
•Gn＝Rn＝0，任一点的总电流连续
•迁移率为常数
沟道中任一点的电流：
缓变沟道近似：1D MOSFET模型的关键，只适合于长沟器件
各种各样的场效应晶体管
MOSFET
•S/D与沟道区为同种类型的 半导体
•栅为MS接触 •常开器件，加栅压使关断 •存在Ig
•S/D与沟道区为不同种类型 的半导体
•栅为MOS接触 •由栅压感应形成沟道 •Ig很小 •四端器件
各种各样的场效应晶体管
•S/D与沟道区为同种类型的 半导体
•常开器件，加栅压使关断
Sd(dlo G IV Dg)S2.3dldnIG V DSV/de c
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沟长调制效应 CLM
ID S2 (L nW C D oL x)VGVT2/(1)
饱和后，夹断区长度DL随VDS继续增加，使有效沟长 Leff＝L－DL减小， Ids随VDS继续增加
假设： 电场沿y方向的变化<<沿x方向的变化
2D 泊松方程 x22 y22 xS,y
2 2 x 2 y 2
1D 泊松方程
2 x, y
x2
S
结果：MOS电容中得到的Qs与表面势的关系仍适用，只是需 要考虑随y的变化
成立条件：沟道内的绝大部分，除漏附近和夹断区
V GV T 2/(1)
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亚阈特性 Vgs<Vt, 弱反型，扩散电流，分区模型中忽略漂移项
弱反 型
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亚阈斜率 Subthreshold swing Ids改变一个数量级所需要的栅压
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对I－V特性的影响
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第二节短沟 MOSFET
一、短沟效应 二、窄沟效应 三、速度饱和 四、寄生效应 五、热载流子效应
需要2D分析、边缘效应不可忽略 VDS>VDSAT 后IDS不饱和 VT漂移 S上升 强电场效应
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体电荷模型 bulk charge model SPICE Level＝2
忽略扩散电流，假设反型后表面势钳位在2B－只适合于强 反型！ 线性区
S02BVsb
SL2BVdb
Q i C o x [ V g s V f b 2 B 2 B V y V y ]
Sah 方程， Square law model
忽略沟道中耗尽层厚度的变化
Q i C o x [ V g s V f b 2 B 2 B V y V y ]
Vt
Q i C o xV G V T Vy 代入Ids，积分
线性区 饱和区
影响Vt的因素
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阈值电压的确定 饱和区： 在饱和区测ID-VG ，画sqrt(ID) － VG－ 外推 VT
存在的问题？
线性区： 在线性区测ID-VG ，画ID－ VG－外推 VT
存在的问题？
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MOSFET的阈值电压
2oSiqNA 体效应参数 V1/2
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另外一种定义
两部分电容 Cox 和Cdep对反型电 荷的贡献
Qinv Cox Vgs Vt0 CdepVsb
Cox
原因：载流子与界面散射， 受界面电荷、界面粗糙的影 响，纵向电场一定强时，载 流子的输运主要受界面散射 的影响.
Echannel Evertical
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界面的影响
载流子的屏蔽作用使
库仑散射：界面电荷、 电离杂质
迁移率随Qinv（Vg） 增加而增加。
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等效纵向电场
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减小tox，Eeff增大，迁移 率下降，器件特性退化
MOSFET的工作过程及I－V特性
IDS
亚 阈
饱和
VG－Vt
线性
Vt
V
二、阈值电压
MOS中经典强反型条件：
反型VT－VG相对于源端VS的 MOSFET中的VT必须考虑Vsb的影响
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计入VSB 均匀掺杂
反型VT－VG相 对于源端VS的
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薄层电荷模型 charge sheet model
假设反型层电荷厚度 为0，其上没有压降
代入Ids的 积分
没有了双重积分，源漏处的s仍需要迭代求解，无解析解。同时有漂移， 扩散项，适合所有工作区有效，计入了体效应（Vsb的影响）。
表面粗 糙散射
栅压引起有效迁移率 的退化。
Vg大后，纵向电场 Evertical增加，使载流 子更加频繁地与表面 接触（散射），迁移 率降低。
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普适的迁移率曲线/关系 Universal mobility curve
代入Ids，积分
I d s C L o x W V g V tV d s 1 2 V d s 2 3 2 2 B V d s 3 /2 2 B 3 /2
饱和区
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IDS nW LoC xVGVTVDS V2 2DSVDS<VG-VT
IDSnW 2LoC xVGVT2
VDS>VG-VT
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包含体效应的 Sah 方程
Q invC ox VgsV t0V(y)(VsbV(y))
有效迁移率与等效纵 向电场之间存在一普 适关系。除反型起始 点附近外，有效迁移 率与等效纵向电场间 的关系不受衬底掺杂 浓度、衬底偏压的影 响。
eff(Vgs,Tox,Nsub,Vsb)=(Eeff)
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eff(Vgs,Tox,Nsub,Vsb)=(Eeff)
第五章 MOSFET
第一节 长沟MOSFET 第二节 短沟MOSFET 第三节 MOSFET模型 第四节 MOSFET的缩小 第五节 MOSFET的设计
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原 栅漏交叠 因 漏端存在强场
带间隧穿
Band－to －band tunneling
可能存在陷阱辅助 的隧穿
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MOSFET中的迁移率
场效应迁移率，有效迁移率
Effective mobility，与半导体 材料的迁移率（体迁移率） 有区别
Pao－Sah 方程
爱因斯坦关系
同时有漂移，扩散项
Qi


q n(x,
0
y)dx
f
q
s
n(,V(y))
dx
d
d
f
q
n(,V(y)) d
s
Ex
沿x方向求解关 于MOS结构的 泊松方程
双重积分，s的 隐含方程，只有数 值解。同时有漂移， 扩散项，适合所有 工作区有效。
•沟道由异质结中的2DEG形成 •S/D与沟道区为同种类型的半 导体 •常开器件，加栅压使关断
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第一节 长沟MOSFET
一、MOSFET的结构、能带 二、阈值电压 三、 I－V特性的模型
1. pao－sah 方程 2. 缓变沟道近似 3. 其他源漏电流模型 四、亚阈特性 五、衬偏效应 六、沟道尺度调制效应
阈值电压的确定 固定电压法： Ids＝10－7W/L (A)
存在的问题？
跨导增量法：低漏压时， 跨导微分dgm/dVgs的最大 点所对应的栅压。
存在的问题？
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 三、I－V特性
目的： IDS－VG、VS、VD、VB之间的关系
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一、短沟效应
Short Channel Effect SCE 现象
Vgs
(Vt0
Cdep Cox
Vsb)

定义Qinv＝0时的Vgs为 Vt（sb）
体 因 子 Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
均匀掺杂： 掺杂浓度对阈值 电压的影响
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C ox VgsV t0Vsb(1)V(y)
代入Ids，积分
ID Sn W L C o x V G V T (1)V 2 D S V D S
d I ds dVds
Vdsat
0
Vdsat
Vgs Vt
1
ID SnW 2L C ox
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长沟MOSFET的特点 •沟道长度 L>> 源空间电荷区＋漏空间电荷区 •可以将长沟器件处理为一维问题 •可以忽略沟道四周的边缘效应
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MOSFET的能带
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参考点： 平带VFB－VG相对于VB的 反型VT－VG相对于源端VS的
Vbi＋VBS
VBS不为0时，VB相当于 增加了反偏电压VR＝VB
Vbi＋VBS＋ VDS
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GIDL效应 Gate-Induced Drain Leakage (GIDL)
现象
Vg＝0，Vds＝ Vdd时，Ids的反 常增加。泄漏电 流。
反偏pn结
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GIDL效应 Gate-Induced Drain Leakage (GIDL)
非均匀掺杂时的阈值电压
沟道中杂质分布的几种情况
a、均匀分布
c
a
NI
cm-2
b
NAo
DI
Ni/Xi
b、delta分布 DI<Wdmax
V tV F B2f
2oSiqN A C ox
2f V sbq C N oxi
c、retrograde分布
见习题
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