半导体器件物理2008-杜刚 第四章4

半导体器件物理 MOSFET 三 半导体器件物理 2 1 2DnOXGsTDSDS Z ICVVVV L 2 2 DSatnOXGST Z ICVV L DSatGST VVV 线性区 饱和区 线性区 饱和区 饱和电压饱和电压 半导体器件物理 亚阈值特性 理想特性 VGS VT 时 ID 0 实际情况 仍有微小电流存 在 称为亚阈值电 流IDsub 半导体器件物理 亚阈值特性 下图为 F VS 漂移电流 亚阈值区导电与BJT中基区 的电流传输有些相似 半导体器件物理 亚阈值特性 公式推导 输运方程 扩散电流 漂移电流 沟道总电流 积分得到 求Qn的表达式 利用能带图 得到 利用Possion方程求解Qn 半导体器件物理 亚阈值特性 求出上述两项 就可以推导出亚阈值电流的表达 式 描述亚阈值特性的参数 导通电压V Von on 从强反 型到弱反型过渡的VGS 半导体器件物理 亚阈值特性 表面耗尽层电容 由 b D s dQ C d sAsB NqQ 2 2 sA D s q N C 半导体器件物理 亚阈值特性 栅电压摆幅S 亚阈值斜率 栅电压摆幅S是表征亚阈值区的一个重要参数 物理意义 器件从导通电流减小到截止电流时所要 求的栅压变化量 栅电压摆幅也称为亚阈值斜率 它的定义为亚阈 值电流每变化10倍 一个数量级 所要求的栅压变 化量 S是表征MOSFET开关特性的最佳参量 S越小器 件的开关特性越好 半导体器件物理 亚阈值特性 可以利用沟道区电容分压电路来得到 见下图 半导体器件物理 亚阈值特性 降低S的方法 降低tOX 降低衬底掺杂浓度Nsub 降低衬偏电压 VBS 降低界面陷阱密度Dit 理论上 S的最小值 Smin 2 3 kT q 60 mV dec S的典型值在60mV dec到180mV dec之 间 半导体器件物理 推导萨方程的基本假定 推导萨方程的前提 十个基本假定推导萨方程的前提 十个基本假定 1 衬底均匀掺杂衬底均匀掺杂 2 长 宽沟器件 可以不考虑边缘效应 长 宽沟器件 可以不考虑边缘效应 3 反型层内载流子迁移率等于常数不考虑强场迁移率调制效 应 实际上 由于各点电场不一样 迁移率并不等于常数 反型层内载流子迁移率等于常数不考虑强场迁移率调制效 应 实际上 由于各点电场不一样 迁移率并不等于常数 4 SiO2层电荷面密度层电荷面密度QOX 等于常数等于常数 5 忽略源 漏区体电阻及电极接触电阻上的电压降忽略源 漏区体电阻及电极接触电阻上的电压降 6 忽略源 漏忽略源 漏PN结及场感应结的反偏漏电流结及场感应结的反偏漏电流 7 7 强反型近似成立 即三个远大于 三个不变 强反型近似成立 即三个远大于 三个不变 8 沟道导通时漂移电流远大于扩散电流沟道导通时漂移电流远大于扩散电流 9 缓变沟道近似 缓变沟道近似 GCA 成立 成立 半导体器件物理 迁移率修正 在推导理想的I V 特性时 假定迁移率为常 数 实际情况 迁移率 常数 沟道载流子的漂移速度随电场强度的变化 而变化 栅电压的影响 垂直于Si SiO2界面的电场Ex 沟道载流子抵达漏端时迁移率下降 漏端速度 饱和 y方向电场强度Ey的影响 半导体器件物理 表面迁移率修正 考虑栅电压的影响 Ex 界面散射导致迁移率下降 半导体器件物理 表面迁移率修正 下面考虑在较低时 栅压引起的迁移率退 化 一个适合于电路模拟并与实验数据吻合较好 的迁移率模型为 n 低栅压电场下的表面迁移率 a 散射常数 约为0 025 cm V 反型沟道上垂直方向场强的平均值 半导体器件物理 表面迁移率修正 半导体器件物理 表面迁移率修正 MOFET电流 为简单起见 假定沟道电位V y 随y线性变 半导体器件物理 表面迁移率修正 半导体器件物理 表面迁移率修正 简化处理 称为退化系数 它的值在0 03 0 1 V 之间 在应用中通常忽略式中的VDS项 则 半导体器件物理 表面迁移率修正 上式已广泛应用于电路模拟软件中 它还有 一种更简化的形式 对于n沟器件 b非常小 0 005 V 常忽 略 对p沟器件 b可以用来改善I V数据的 拟合 令 b 0 半导体器件物理 频率特性 MOSFET 用于线性放大电路时 需要用MOSFET 的小信号等效电路来对放大电路进行数学分析 小信号等效电路应包括能反映频率特性的电容 电 阻和电流源 建立方法 先建立低频小信号模型 考虑电荷贮存效应 加入电容 加入寄生效应 基本假定 准静态近似 半导体器件物理 低频小信号等效电路 共源极低频小信号等效电路 低频小信号参数 栅跨导 跨导 gm 衬底跨导gmb 漏源 电导gd 输出电阻rds 半导体器件物理 低频小信号等效电路 1 栅跨导 跨导 定义 利用萨方程求解栅跨导 非饱和区 饱和区 若考虑沟道长度调制效应 栅跨导gm标志着共源极工作时输入电压对输出电流的控制 能力 提高栅跨导的方法 加大宽长比W L 减薄tOX 选择nMOST n p 半导体器件物理 低频小信号等效电路 2 漏源电导gd 输出电阻rds 定义 非饱和区漏源电导gd 利用萨方程求解 影响因素 沟道表面迁移率 器件宽长比W L 栅氧化层厚度 饱和区漏源电导gds 经典长沟理论 gds 0 考虑沟道长度调制效应 影响饱和区漏源电导gds的因素 沟道表面迁移率 沟道宽度 沟道长度 栅氧化层厚度 衬底掺杂浓度 gds与 VGS VT 2成正比 半导体器件物理 低频小信号等效电路 3 衬底跨导gmb 定义 衬底跨导反映了衬偏电压对漏极电流的控制能力 衬偏电压的作用是改变了表面空间电荷在反型层 与耗尽层之间的分配 利用萨方程的精确解求出 半导体器件物理 高频小信号等效电路 共源极工作的 nMOSFET 需要考虑的电 容和电阻 半导体器件物理 高频小信号等效电路 各元件物理意义 Cgso Cgdo 栅源 栅漏覆盖电容 Cgs 栅极 源端沟道电荷之间的电容 Cgd 栅极 漏端沟道电荷之间的电容 Cds 漏极 衬底间pn结电容 rs rd 源区 漏区串联电阻 上述元件中 只有栅 沟道电容Cgs和Cgd对器件性能有实际意 义 其余的寄生电容和电阻都将降低器件性能 因此 在电 路设计中应尽量减小这些寄生元件的数值 栅源 栅漏覆盖电容Cgso和Cgdo由器件的结构和侧向扩散决 定 Cgs Cgd和Cds属于本征MOSFET部分 现在 已经提出了很多MOSFET本征电容模型 其中Meyer 提出的长沟器件模型被许多电路模拟软件广泛采用 下面简 要讨论Meyer模型 半导体器件物理 Meyer模型 在Meyer模型中 栅 沟道之间的分布电 容被分解为三个集总电容 栅源电容Cgs 栅漏电容Cgd 栅衬电容Cgb Meyer模型采用 长沟器件的公式 计算这几个电容 半导体器件物理 Meyer模型 利用上述公式推导得到 线性区 饱和区 半导体器件物理 Meyer模型 Meyer模型虽然简单 但存在一些缺陷 主要 缺陷是电荷不守恒 因而导致在模拟动态RAM 和开关电容之类的电路时误差较大 但由于它 固有的简洁性 仍被广泛采用于不存在电荷守 恒问题的电路模拟中 Meyer模型是SPICE Level 1 4级模型采用的缺省电容模型 采用长沟器件的公式还可推导出 Cds 0这表 明理想的本征MOSFET中源到漏之间不存在通 过沟道的电容耦合 半导体器件物理 截止频率 类似BJT 截止频率fT反映了MOSFET用 于放大工作的上限频率 求解方法 求共源极电流增益 输出电流 电流增益 特征频率 Ai 1 时的频率 半导体器件物理 截止频率 考虑本征MOSFET Cgso 0 Cgdo 0 并且负载电阻RL 0 得到本 征截止频率 线性区本征截止频率 饱和区本征截止频率 半导体器件物理 1 迁移率与温度的关系 反型层中载流子迁移率与温度有很大的关系 对于高性 能的器件 电子的表面迁移率可从室温时的 到液氦时4 2K的 在室温附近200K 400 K温度范围内与温度的关系可简单表示为 sVcm 600 2 sVcm 20000 2 n m T T TT 0 0 是T温度下的低场迁移率 是温度下的低场迁 T 0 T 0 T MOSFET 温度特性 2 1 2DnOXGsTDSDS Z ICVV VV L 半导体器件物理 率 m为指数因子 p沟器件m 1 2 1 4 n沟器件m 1 4 1 6 m与测量时的电场有关 在SPICE软件中m的 值一律取1 5 如m 1 5 的温度系数为 T TdT d5 11 2 阈值电压与温度的关系 以简单情况为例 dT d dT d dT dV V C Q VV F F FT FFFB ox FB FFBT 2 2 2 1 20 22 2 2 2 1 半导体器件物理 dT d C Q dT d F Fox B F F 2 2 2 2 2 1 计算 dT d F 2 ln 2 3 10 9 3 ln 1 2 2 exp 10 9 3 ln 16 2 3 16 KT TE T N KT TE Tn n N g A tF g i i A tF 1 2 3 半导体器件物理 2 0 1 2 1 2 2 3 1 2 2 3 0 ln 2 T q TE Tq TE T q TE q KT T KT TE Tq KT n N q K dT d F gg F g F g i AF 用于p沟器件 用于n沟器件 半导体器件物理 TTF VpVnT沟 沟 对于 下图 从半导体物理可知 如 CmV dT dV Vn T T 0 1 是负温度系数 沟器件 半导体器件物理 3 亚阈值斜率与T的关系 半导体器件物理 在实际器件中 由于源区和漏区存在体电阻和欧姆 接触电阻等原因 沟道的源端和漏端存在寄生的串联电 阻 分别记为和 这些电阻使加在器件上的实际 栅压和实际漏压减小 因此器件的gm和gd都减 小 s R D R GS V DS V 性得到改善低温时器件的亚阈值特 ST C C S t ox D t 1 10 ln 表征亚阈值特性的是亚阈值摆幅 考虑串联电阻后对 gm和gd的修正 半导体器件物理 半导体器件物理 1 1 DDsms D DS D D DDsms m GS D m gRRgR g V I g gRRgR g V I g 是外加偏压和 DSGS VV 我们证明一下上式 DSDGSm DS GS V DS D GS DS V GS D D VdgV