半导体器件物理II必背公式+考点摘要

半二复习笔记

1.1MOS结构

1.费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示

2.表面势：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示

3.金半功函数差

4.P沟道阈值电压

注意faifn是个负值

1.3 MOS原理

1.MOSFET非饱和区IV公式

2. 跨导定义：VDS一定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能力

3. 提高饱和区跨导途径

4.衬底偏置电压VSB>0，其影响

5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作用。VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化

1.4 频率特性

1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）

②栅电容充放电需要时间

2. 截止频率：器件电流增益为1时的频率

高频等效模型如下：

栅极总电容CG看题目所给条件。

若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；

非理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产生寄生电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。

3. 提高截止频率途径

1.5 CMOS

1.开关特性

2.闩锁效应过程

2.1 非理想效应

1. MOSFET亚阈特性

①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流

②关系式：

③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS无关

④亚阈值摆幅S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。

⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量小。因此S越小越好

⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加

⑦措施：提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减小亚阈值摆幅

2. 沟长调制效应（VDS↑⇒ID↑）

①机理

理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L`

②夹断区长度

③修正后的漏源电流

④影响因素

衬底掺杂浓度N 越小⇒ΔL的绝对值越大⇒沟道长度调制效应越显著；

沟道长度L越小⇒ΔL的相对值越大⇒沟道长度调制效应越显著

3. 迁移率变化

①概念：MOSFET载流子的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率非常数。VGS↑→垂直电场↑→漂移运动的电子更接近于氧化层和半导体的界面→表面散射增强，载流子的表面迁移率μ下降

②影响：漏电流、跨导随栅压增加而增加的趋势减缓

4. 速度饱和

①概念：E较低时，μ为常数，半导体载流子漂移速度v与沟道方向电场E正比；E较高时，达到一临界电场EC时，载流子漂移速度v将达到饱和速度vSat，使载流子的μ下降

②影响：使电流饱和

原因：

③易发生情况：短沟器件，U大L小，E大，易达到饱和Ec

④考虑速度饱和后的饱和漏源电流

⑤跨导：与偏压、沟长无关

⑥截止频率：与偏压无关

5. 弹道输运

特点：①沟道长度L<0.1μm，小于散射平均自由程

②载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞

③高速器件:不经散射的速度大于经历散射的平均漂移速度

非弹道输运特点：沟道长度L>0.1μm，大于散射平均自由程；载流子从源到漏运动需经过多次散射；因经历多次散射，载流子运动速度用平均漂移速度表征

2.2 按比例缩小

按比例缩小的参数：

器件尺寸参数（L，tox，W，xj）：k倍

掺杂浓度（Na，Nd）：1/k倍

电压V：k倍

电场E： 1倍

耗尽区宽度Xd： k倍

电阻R（与L/W成正比）：1倍;

总栅电容（与WL/tox成正比）: k倍

漏电流I（与WV/L成正比): k倍

2.3 阈值电压调整

1. 短沟道效应（L↓⇒VT↓）

①概念：随着沟长L变短，栅压VG可控空间电荷区仅仅为下方梯形→可控耗尽层电荷占耗尽层越来越少→使得可控Qsd变小，VT下降

②影响因素：a.L↓→ VTN↓ b.Na↑→ VTN↓ c. VDS>0 →漏衬n+p反偏压↑ → Qsd↓→ VTN↓ d. VSB↑→ VTN↓（ΔVT绝对值更大，使VT整体减小）

2. 窄沟道效应（W↓⇒VT↑）

概念：表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象→VGS作用下要产生中间矩形和两侧的耗尽层电荷→W越小，相同偏压VG下能用来控制下方矩形部分的电压V越少→VT随W的↓而增大

3. 离子注入调整

①原理：通过离子注入技术向沟道区注入杂质

a.p型衬底表面注入受主杂质（如B）→半导体表面净掺杂浓度Na ↑→

/Q`SDmax/↑→表面更难以反型→VT↑

b.p型衬底表面注入施主杂质（如P）→半导体表面净掺杂浓度Na ↓→

/Q`SDmax/↓→表面更容易反型→VT↓

②离子注入关系

P型衬底加入受主杂质：

2.4 击穿特性

1. 栅氧化层击穿

①概念：VGS↑ →氧化层电场强度Eox≥临界电场强度EB，氧化层发生介电击穿，栅衬短路，栅电流产生

②影响因素：静电使栅两侧出现电荷积累，易产生强电场使之击穿

③措施：a.设计和使用做好防静电措施

b.进行电路设计

2. 漏衬pn结雪崩击穿（沟道未形成）

①概念：结反偏压VDS大到一临界值BVDS ，发生雪崩击穿

②雪崩击穿：载流子从大E获得大能量，与晶格原子碰撞→共价键断裂，产生电子空穴对→产生的电子空穴也会从E获得能量，继续碰撞→产生大量的电子被漏极收集（加入ID），发生击穿，产生的空穴注入衬底（产生Isub）