复旦半导体器件仇志军小尺寸MOSFET的特性专题培训课件
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半导体器件物理MOSFETPPT课件
I Dsub只有纳安到微安量级。但大规模IC中包含有上千万甚至数亿个器件，总的
I Dsub可能达到数个安培. 减小I Dsub影响的措施
增大COX，减小亚阈值摆幅，使器件可以快速关断 提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏，使VT
增加， 从而使VGS<<VT.
VGS下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无I Dsub ，静态功耗大幅降低
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
2021/9/244
VTN
|
Q'SD max Cox
|
VFB＋2
fp
第二十一页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET VT随W的变化:表面电荷
理想模型(适用宽沟道）： 受VGS控制的表面总电荷｜Q｜B eNa xdTWL 单位面积的表面电荷｜QBma｜x eNa xdT
2021/9/24
第三页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET
亚阈电流表达式:
亚阈值电流:对器件的影响
ID与VGS有关，且随VGS指数增加，
当VGS改变60mV，I D（sub) 改变一个数量级 若VDS>4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，
IDsub近似与VDS>无关
半对数坐标中亚阈电流 与VGS之间呈现直线
2021/9/24
第十七页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET 阈值电压修正： VT与L、W的相关性
长、宽沟道MOSFET的阈值电压
VTN
|
Q'SD max Cox
I Dsub可能达到数个安培. 减小I Dsub影响的措施
增大COX，减小亚阈值摆幅，使器件可以快速关断 提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏，使VT
增加， 从而使VGS<<VT.
VGS下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无I Dsub ，静态功耗大幅降低
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
2021/9/244
VTN
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Q'SD max Cox
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VFB＋2
fp
第二十一页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET VT随W的变化:表面电荷
理想模型(适用宽沟道）： 受VGS控制的表面总电荷｜Q｜B eNa xdTWL 单位面积的表面电荷｜QBma｜x eNa xdT
2021/9/24
第三页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET
亚阈电流表达式:
亚阈值电流:对器件的影响
ID与VGS有关，且随VGS指数增加，
当VGS改变60mV，I D（sub) 改变一个数量级 若VDS>4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，
IDsub近似与VDS>无关
半对数坐标中亚阈电流 与VGS之间呈现直线
2021/9/24
第十七页，编辑于星期五：九点 十分。
4.3 MOSFET 阈值电压修正： VT与L、W的相关性
长、宽沟道MOSFET的阈值电压
VTN
|
Q'SD max Cox
理解MOSFET开关过程PPT学习教案
图2 MOSFET开关过程中栅极电荷特性
第7页/共10页
3.MOSFET漏极导通特性与开关过程（3）
以 AOT460为 例
图4 AOT460的开通轨迹 图2中t4阶段对应C->D过程。在C点，米 勒电容 上的电 荷基本 上被扫 除，C- >D的 过程栅 极电压 在驱动 电流的 充电下 又开始 升高， MOSFET进一 步完全 导通。 C->D为可变电阻区，相应的Vgs电 压对应 着一定 的Vds电 压。Vgs电压 达到最 大值，Vds电压 达到最 小值， 由于Id电流为ID恒定 ，因此Vds的电 压即为ID和MOSFET 的导通 电阻的 乘积。
第3页/共10页
2.MOSFET栅极特性 与开关过程（2）
米勒平台结束后， iD电流仍维持ID ,Vds 电压继续降低，但此时降低的斜率 很小， 因此降 低的幅 度也很 小，最 后稳定 在Vds=I d*Rds(on)。因 此通常 可以认 为米勒 平台结 束后MOSFET 基本上 已经导 通。 （t4阶段）
第4页/共10页
2.MOSFET栅极特性 与开关过程（3）
t1和t2阶段,因为Cgs>>Cgd，所以驱动电流主要是 为Cgs充电 （QGS）。 t3阶段,因为VDS从VDD开始下降，Cgd放电， 米勒电 流Igd分流了绝 大部分 的驱动 电流（ QGD）。使得 MOSFET的栅 电压基 本维持 不变。 t4阶段，驱动电流主要是为Cgs充电（QGS）。 Qg= QGS(t1,t2)+ QGD）+ QGS(t4)
图2 MOSFET开关过程中栅极电荷特性
-----VTH:开启阈值电压 -----VGP:米勒平台电压
-----VCC:驱动电路的电源的电压
MOSFET原理功率MOS及其应用ppt课件
20
2 场效应 管放大电 路
一、场效应管偏置电路
场效应管偏置电路的关键是如何提供栅源控制电压UGS
自给偏置电路： 适合结型场效应管和耗尽型MOS管
外加偏置电路： 适合增强型MOS管
D G
S
1、自给偏置电路
UGS = UG-US = -ISRS ≈ -IDRS
I
D
IDSS (1
UGSQ和IDQ
衬底B
7
二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理 增强型MOS管
一 方 面
当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS 之间加什么电压都不会在D、S间形成电流iD,即iD≈0. 动画
当VGS较小时，虽然在P型衬
VDS
六
底表面形成一层耗尽层，但负离
子不能导电。 当VGS=VT时, 在P型衬底表面
JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压
MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压
17
1 MOS场 效应管
7. 低频跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。
gm
diD dvGS
VDS C
8. 输出电阻rds 9. 极间电容
rds
dvDS diD
VGS C
Cgs—栅极与源极间电容 Cgd —栅极与漏极间电容 Csd —源极与漏极间电容
id gmvgs gds vds
iD
G +
id D +
vgs
gds vds
-
gmvgs
-
S
24
2 场效应 管放大电 路
三、三种基本放大电路
1、共源放大电路
（1） 直流分析
UGS = UG-US
复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET-37页PPT精品文档
区后就会出现速度饱和效应。
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式：
ID S C ox n W L V G S V T V D S 1 2 V D 2 S
在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
3o 体电荷效应； 4o 沟道长度调制效应； 5o 源漏串联电阻寄生效应； 6o 亚阈值效应； 7o 衬偏效应； 8o 短沟道效应。 9o CMOS闭锁效应；
亚阈值效应
• 回忆我们前面假设表面呈现强反型时MOSFET沟道开 始形成，源、漏之间开始导通。
• 实际上MOSFET源、漏之间加上电压以后，源端PN结 处于正向，就会有非平衡载流子注入，漏端PN结就会 收集到注入的非平衡载流子，同时还有反向的产生电 流（包括表面态的产生电流），所以在强反型之前源、 漏之间就会有电流，这就称为亚阈值电流。
减小 Overlap，降低寄生电容，可采用自对准多晶硅栅工艺。
MOSFET 的开关特性
+VDD
v (t)
vGS (t)
RD
VT
+
vDS (t)
+ vGS(t)
C vDS(t)
90%
10%
t
0 ton
toff
MOS 倒相器开关特性：
IDS
Ioff 0（亚阈值电流）； Von 0（导通有电阻）；
四种 MOSFET 的输出特性
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
沟道长度调制效应
• 沟道长度调制效应使输出特性的饱和区发生倾 斜。
北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
分析这种影响可以通过二维器件模 拟程序计算出沟道表面电势分布
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
《常用半导体器件》课件
反向击穿电压：二极管在反向电压作用下， 能够承受的最大电压
开关速度：二极管从正向导通到反向截止 的时间
反向漏电流：二极管在反向电压作用下， 流过二极管的电流
噪声系数：二极管在信号传输过程中产生 的噪声大小
晶体管的特性参数与性能指标
输出电阻：ro，表示晶体管 输出端的电阻
频率特性：fT，表示晶体管 能够工作的最高频率
使用注意事项：在使用二极 管时，需要注意二极管的极 性，避免接反导致电路损坏
散热问题：在使用二极管时， 需要注意二极管的散热问题， 避免过热导致电路损坏
晶体管的选用与使用注意事项
晶体管类型：根据电路需求选择合适的晶体管类型，如NPN、PNP、 MOSFET等。
工作频率：选择工作频率满足电路需求的晶体管，避免频率过高导致晶 体管损坏。
06
半导体器件的选用与使 用注意事项
二极管的选用与使用注意事项
选用原则：根据电路要求选 择合适的二极管类型和参数
正向导通电压：选择二极 管时，需要考虑正向导通 电压与电路电压的匹配
反向耐压：选择二极管时， 需要考虑反向耐压与电路电 压的匹配
反向漏电流：选择二极管时， 需要考虑反向漏电流与电路 要求的匹配
稳定性： 指集成电 路在正常 工作状态 下的稳定 性能
集成电路 的封装形 式：包括 DIP、 QFP、 BGA等
集成电路 的应用领 域：包括 消费电子、 通信、汽 车电子等
场效应管的特性参数与性能指标
栅极电压：控制场效应管的导通和关断 漏极电流：场效应管的输出电流 输入阻抗：场效应管的输入阻抗高，可以减少信号损失 输出阻抗：场效应管的输出阻抗低，可以减少信号损失 开关速度：场效应管的开关速度快，可以减少信号损失 功耗：场效应管的功耗低，可以减少能源消耗
最新模电课件-第1章-半导体器件课件PPT
第一章 常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应晶体管
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
空穴
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+
-
+
-
+
-
+
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+
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+
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+
-
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
1.本征半导体中载流子为自由电子和空穴(金属呢？)。
2.电子和空穴成对出现,浓度相等。
3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导 电性和温度有关,对温度很敏感。
2 杂质半导体
2.1 N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了N 型半导体。
PN结
I扩 I漂
当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;
2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;
3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
3.2 PN结的单向导电性
1) PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区 引出的电极为阴极（ K ）。
MOS管介绍概要PPT课件
预夹断点开始， ID基本不随VDS
极电流。
增加而变化。
.
18
增强型MOSFET的工作原理
.
19
MOSFET的特性曲线
1.漏极输出特性曲线
V V V
DS
GS T
.
20
2.转移特性曲线— VGS对ID的控制特性
ID=f(VGS)VDS=常数 转移特性曲线的斜 率 gm 的大小反映了栅 源电压对漏极电流的控 制作用。 其量纲为 mA/V，称gm为跨导。
VGD=VGS-VDS，比源端耗尽 层所受的反偏电压VGS 大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反 偏当V电DS压继续为增-5加V时，，源预端夹耗断尽点向层
受源极反方偏向电伸压长为为预-2夹V断),使区靠。由近于
漏预夹端断的区耗电尽阻层很比大，源使端主厚要，VD沟S 道降落比在源该端区窄，，由此故产VD生S对的强沟电道场
用途：做无触点的、 接通状态的电子开关。
条件：整个沟道都夹断
V V
GS
P
击穿区
当漏源电压增大到
V V 时，漏端PN结
DS
(BR)DS
发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为
（20— 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负，
对应的VP就越小。管子不能在. 击穿区工作。
9
i ②转移特性曲线 Df(VGS)VDSC
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
iD / v G Q S d D /d iG Q v S g m m s
.
10
结型场效应管的特性小结
N 沟 道 耗
结尽 型型
场
效P 应沟 管道
《第五章MOS器件》PPT课件
• 对于MOSFET来说，最令人关注的是反型的 表面状态。当栅偏压VG 0时，P型半导 体表面的电子浓度将大于空穴浓度，形成 与原来半导体导电类型相反的N型导电层， 它不是因掺杂而形成的，而是由于外加电 压产生电场而在原P型半导体表面感应出来 的，故称为感应反型层。这一反型层与P型 衬底之间被耗尽层隔开，它是MOSFET的导 电沟道，是器件是否正常工作的关键。反 型层与衬底间的P－N结常称为感应结。
电荷。单位为C/cm2。 QGQS 0
• 由于Q0是不变的，因此
2021/4/27
实用文档
15
中国科学技术大学物理系微电子专业
6、半导体表面状态
2021/4/27
实用文档
16
积累:
电荷分布 QS
中国科学技术大学物理系微电子专业
积累情况下能带图及电荷分布
-d
x
Qm
EiEF
PP nie
kT
E(X) 电场分布 靠近氧化层的半导体表面
形成空穴积累
x
2021/4/27
实用文档
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耗尽:
Vg>0
EF
2021/4/27
中国科学技术大学物理系微电子专业
Ec
Ei EF E
v
(x) Qm
电荷分布
wx -d
电场分布
QscqNAW
E(X)
实用文档
x
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强反型:
中国科学技术大学物理系微电子专业
2021/4/27
np nieEFEik T
实用文档
氧化物陷阱电荷Qot：和SiO2的缺陷有关，分布在SiO2 层内，和工艺过程有关的Qot可以通过低温退火除掉 大部分。
可动离子电荷Qm：如Na＋等碱金属离子，在高温和高 压下工作时，它们可以在氧化层内移动。因此，在
复旦大学半导体器件原理讲义L 小尺寸MOSFET的特性
xj 2L
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2 yS xj
⎟⎟⎠⎞1/ 2
⎤ − 1⎥
⎥⎦
+
xj 2L
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2 yD xj
⎟⎟⎠⎞1/
2
−
1⎥⎤⎪⎬⎫ ⎥⎦⎪⎭
≡ 1−α 1 yS + yD
L2
ΔVT = α ( yS + yD )
qε s N (A VB + 0.5VBS )
LCox
VDS ↑ F ↓ VT ↓
QB
L2
ΔVT = α ( yS + yD )
qε s N (A VB + 0.5VBS )
LCox
VDS ↑ F ↓ ΔVT ↑
抑制 VT roll-off 的措施：
1o xj ↓ 2o NA ↑ 3o tox ↓
4o VBS ↓ 5o VDS ↓
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/74
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1207/74
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
1. 现象
长沟道
IDSst ∝ 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
短沟道 IDSst > 1/L
VDS ↑ IDSst ↑ L↓ S↑
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1218/74
3. 轻掺杂漏结构 (LDD)
LDD 结构的电场分布
普通：
( ) E y max = VDS −VDSsat 0.22to1x/ 3 x1j/ 3
第三章MOS管ppt课件
)
第3章
场效应管
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型 N 沟道：VDS > 0， P 沟道：VDS < 0 VGS 极性取决于工作方式及沟道类型 增强型 MOS 管： VGS 与 VDS 极性相同。 耗尽型 MOS 管： VGS 取值任意。 饱和区数学模型与管子类型无关
第3章
场效应管
由于 MOS 管 COX 很小，因此当带电物体(或人)靠近 金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电 压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，造成 MOS 管永久性损 坏。 MOS 管保护措施： 分立的 MOS 管：各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS 集成电路：
VGS
ID/mA
D N+
G
VUS = 0 -2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
因 VGS 不变(G 极正电荷量不变) 表面层中电子数 ID 根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
第3章
场效应管
P 沟道 EMOS 管
第3章
场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
G
S NEMOS
S NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
O VGS(th)
VGS
VGS(th) O
VGS
VGS(th) O V GS
第3章
场效应管
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型 N 沟道：VDS > 0， P 沟道：VDS < 0 VGS 极性取决于工作方式及沟道类型 增强型 MOS 管： VGS 与 VDS 极性相同。 耗尽型 MOS 管： VGS 取值任意。 饱和区数学模型与管子类型无关
第3章
场效应管
由于 MOS 管 COX 很小，因此当带电物体(或人)靠近 金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电 压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，造成 MOS 管永久性损 坏。 MOS 管保护措施： 分立的 MOS 管：各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS 集成电路：
VGS
ID/mA
D N+
G
VUS = 0 -2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
因 VGS 不变(G 极正电荷量不变) 表面层中电子数 ID 根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
第3章
场效应管
P 沟道 EMOS 管
第3章
场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
G
S NEMOS
S NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
O VGS(th)
VGS
VGS(th) O
VGS
VGS(th) O V GS
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4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll2. o原ff因）
p-Si
长沟道 MOSFET
2(xx2,y)(xs,y)
GCA：2(yx2, y) 0
p-Si
短沟道 MOSFET
2(xx2,y)2(yx2,y)(xs,y)
2 ( x,
y2
y)
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应46/75
QB
dma Lx
L
NMOS
L r2 2 d m 2 1 a /2 x xj
VDS = 0
x j d m2 a d x m 21 /a 2 x x jxj
12dxmj ax1/2
1
QB '
QB
V 1T ' xLV jF 1 B 2 V 2B dx m j ax12 /2V B 1 V BS 1 x L j 1 2 d x m j a 1 /2 x 1
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应58/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
dmax/xj 较小时
dmax/xj 较大时
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应181/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
2. 原因
MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺
OED：氧化增强扩散
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应192/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
3. 分析
横向分布的特征长度
Q f( s y ) Q f0 s e x y G 0 p 单位：[C/cm2]
源（漏）端杂质电荷面密度
Q F 2 S W 0 L / 2 Q f( s y ) d 2 Q y f0 G s 0 W 1 e x L 2 G 0 p 单位：[C]
2. 边缘耗尽效应 W
y
z x
QB
QW
V T ,宽 V 沟 F B 2 V B 2 V B V BS
dmax SiO2
QB C ox
V T ,窄 沟 V F B2 V B 2 V B V B SQ C W ox
¼ 圆弧：
QW 12dm2 ax dmax
QB Wdmax 2 W
一般地，引入经验参数 GW
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll2. o原ff因）
2(xx2,y)(xs,y)2(yx2,y)
eff (x, s
y)
NAeffNA VT
p-Si
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau)
NMOS
VT VFB2VBC QoBx
V F B 2 V B 2 V B V BS
当 VDS > 0 时
FQB ' 11ySyD
QB
L2
V Ty S y D q L sN oA C x V B 0 .5 V BS
VDS F VT
抑制 VT roll-off 的措施：
1o xj 2o NA 3o tox
4o VBS 5o VDS
VT'
VFB2VB
QB' Cox
VFB 2VBQ QB B ' 2VBVBS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应47/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
QB ' 12dma x L21L
1o L F VT 3o NA dmax F VT
2o tox VT 4o xj VT
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应69/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL） 3. 速度饱和效应 4. 亚阈特性退化 5. 热载流子效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT rolloff）
1. 现象
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应35/75
FQB' 1dmax
QB
L 经验参数（ >1）
V TV T ' V T 2 V B V BSx L j 12 d x m j a 1 /2 x 1
dmax
L
2VBVBS2osxtL ox2VBVBS
复旦-半导体器件-仇志军小尺寸MOSFET的
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应13/75
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
VT
QFS CoxLW
2Q Co fs0L xG 01expL2G 0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1130/75
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
1. 现象
W VT
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1114/75
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
p-Si
长沟道 MOSFET
2(xx2,y)(xs,y)
GCA：2(yx2, y) 0
p-Si
短沟道 MOSFET
2(xx2,y)2(yx2,y)(xs,y)
2 ( x,
y2
y)
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应46/75
QB
dma Lx
L
NMOS
L r2 2 d m 2 1 a /2 x xj
VDS = 0
x j d m2 a d x m 21 /a 2 x x jxj
12dxmj ax1/2
1
QB '
QB
V 1T ' xLV jF 1 B 2 V 2B dx m j ax12 /2V B 1 V BS 1 x L j 1 2 d x m j a 1 /2 x 1
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应58/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
dmax/xj 较小时
dmax/xj 较大时
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应181/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
2. 原因
MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺
OED：氧化增强扩散
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应192/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
3. 分析
横向分布的特征长度
Q f( s y ) Q f0 s e x y G 0 p 单位：[C/cm2]
源（漏）端杂质电荷面密度
Q F 2 S W 0 L / 2 Q f( s y ) d 2 Q y f0 G s 0 W 1 e x L 2 G 0 p 单位：[C]
2. 边缘耗尽效应 W
y
z x
QB
QW
V T ,宽 V 沟 F B 2 V B 2 V B V BS
dmax SiO2
QB C ox
V T ,窄 沟 V F B2 V B 2 V B V B SQ C W ox
¼ 圆弧：
QW 12dm2 ax dmax
QB Wdmax 2 W
一般地，引入经验参数 GW
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll2. o原ff因）
2(xx2,y)(xs,y)2(yx2,y)
eff (x, s
y)
NAeffNA VT
p-Si
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau)
NMOS
VT VFB2VBC QoBx
V F B 2 V B 2 V B V BS
当 VDS > 0 时
FQB ' 11ySyD
QB
L2
V Ty S y D q L sN oA C x V B 0 .5 V BS
VDS F VT
抑制 VT roll-off 的措施：
1o xj 2o NA 3o tox
4o VBS 5o VDS
VT'
VFB2VB
QB' Cox
VFB 2VBQ QB B ' 2VBVBS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应47/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
QB ' 12dma x L21L
1o L F VT 3o NA dmax F VT
2o tox VT 4o xj VT
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应69/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL） 3. 速度饱和效应 4. 亚阈特性退化 5. 热载流子效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT rolloff）
1. 现象
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应35/75
FQB' 1dmax
QB
L 经验参数（ >1）
V TV T ' V T 2 V B V BSx L j 12 d x m j a 1 /2 x 1
dmax
L
2VBVBS2osxtL ox2VBVBS
复旦-半导体器件-仇志军小尺寸MOSFET的
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应13/75
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
VT
QFS CoxLW
2Q Co fs0L xG 01expL2G 0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1130/75
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
1. 现象
W VT
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1114/75
4.1.4 窄沟道效应（NEW）