长沟道MOSFETsPPT课件

-,1,7.1MOSFETs的基本工作原理,-,2,MOSFET器件三维结构图,四端器件：源（S）；漏（D）；栅（G）；衬底（B）N沟：p型衬底，源端用离子注入形成n+；P沟：n型衬底栅电极：金属；重掺杂多晶硅。氧化层：热氧化硅隔离：场氧化,-,3,理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(1),-,4,理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(2),-,5,理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(3),-,6,理想的p-MOS和n-MOS电容能带图(4),-,7,p-MOS电容接近硅表面的能带图,-,8,MOSFET的四种类型及符号,-,9,MOSFET符号,-,10,7.2漏电流模型,7.2.1本征电荷密度与准费米势的关系7.2.2缓变（渐变）沟道近似7.2.3PAO和SAHs双积分,-,11,MOSFET器件剖面图,以N沟增强型MOSFET为例x=0在硅表面，指向衬底，平行于栅电极；y，平行于沟道，y=0在源端；y=L在漏端，L：沟道长度(x,y)：本证势；能带弯曲V(y)：在y处电子的准费米势,与x无关；V(y=L)=Vds,-,12,本征电荷密度与准费米势的关系,由方程（2.150）和（2.187）知：(1)(2)表面反型时，（2.190）为：(3)最大耗尽层宽度：(4),-,13,缓变（渐变）沟道近似,缓变（渐变）沟道近似：电场在y方向（沿沟道方向）的变化分量远远小于沿x方向（垂直于沟道方向）的变化分量。（EyVdsat时，夹断点向源端移动，但漏电流基本不变。这是因为夹断点的电压仍为饱和电压。,-,32,夹断点和电流饱和,由（9）式：（25）夹断后器件的特性可以把上式从0到y积分得到（26）上式积分利用了（24）式；把（21）代入（26）得：（27）由（24）式：,-,33,准费米势与源漏之间距离的关系,当Vds较小时，源漏之间的V(y)几乎是线性的；当Vds增加时，由于电子的准费米能级降低，漏电荷密度减小；由于dV/dy增加，使电流基本保持不变；当Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m时，Qi(y=L)=0，dV/dy=，这意味着电场沿y方向的变化大于沿x方向的变化，渐变近似不再适用。从夹断点到漏端要解二维Poissons方程。Vds2B时，方程（17）Qi=0和方程（18）dIds/dVds=0，并且V=Vdsat得：（28）,-,34,计算的IdsVds关系曲线实线（3.18）；点划线：（3.21）,-,35,pMOSFETI-V特性,-,36,MOSFET的特性曲线,-,37,第4节亚阈特性,漏电流的漂移和扩散分量亚阈区电流表达式亚阈区斜率,-,38,MOSFET工作的三个区域,MOSFET器件一般可分为三个区域：线性区；饱和区；亚阈区,-,39,弱反型导电,亚阈也叫弱反型导电：当VgsVt（VGSVt）时源漏之间的漏电，成为弱反型导电或次开启。,-,40,弱反型导电原因,一般情况下，VgsVt时器件的电流为“0”。但在某些重要应用中，非常小的电流也是不能忽略的。在低压、低功耗应用中，亚阈特性很重要。如：数字逻辑和存储电路原因：当VGSVt时表面处就有电子浓度，如公式（11）所示。即当表面不是强反型时就存在电流。主要是源与沟道之间的扩散电流。VGSVon为弱反型；VGSVon为强反型（11）,-,41,漏电流的漂移和扩散分量,强反型时：以漂移电流为主；弱反型时：源与沟道之间的扩散电流弱反型时，漂移和扩散电流均包含在PaoandSahs双积分公式（13）中电流连续是指漂移和扩散电流之和连续。换句话说，在任一点漂移电流和扩散电流的比例很可能变化。在低漏电压下，可以用方程（14）中隐含的(V)关系，分离漂移电流和扩散电流。,-,42,亚阈区电流表达式,（35）或（36）,-,43,亚阈区斜率,当Vds是几倍kT/q时，扩散电流占统治地位，漏电流与漏电压无关，只与栅电压有关。斜率定义（图3.10）（37）由方程（22）知，由方程（22）知：S的典型值为：70100mV/decade，如果Si-SiO2界面陷阱密度较高，斜率很可能比方程（37）给出的大。,-,44,第5节衬底偏置效应和温度特性对阈值电压的影响,体效应阈值电压的温度特性,-,45,体效应,-,46,MOSFET衬底偏置效应等效电路,-,47,体效应,（17）方程（17）变为：（38）这里：V是沟道中的任一点与衬底之间的反向偏压。对Qi从源（Vbs）到漏（Vbs+Vds）积分得电流的表达式为：（18）是变为）（18）（39）,-,48,体效应（续）,在低漏电压下，漏电流仍由（19）式给出：在Vds较小时，展开（18）式并只保留低阶项（一阶项）：（19）阈值电压Vt由：（20）变为（40）反向衬底偏压的影响是：使体耗尽层加宽，阈值电压升高。,-,49,阈值电压与反向衬底偏压的关系,左图曲线的斜率（41）叫衬偏敏感度。在Vbs=0时，当Vbs增加时，衬偏敏感度下降。,-,50,阈值电压的温度特性,平带电压：（2.181）假设不存在氧化层电荷，把（2.181）代入（20）式得：（42）在“0”衬偏电压条件下，阈值电压与温度的关系为：（43）（2.37）,-,51,阈值电压的温度特性（续）,（2.7）由方程（2.37）和（2.7）得：（44）因为NcandNvT3/2，所以：,-,52,阈值电压的温度特性（续）,把方程（44）代入方程（43）得：（45）Na=1016cm-3，m=1.1时，dVt/dT典型值为-1mV/K。Na=1018cm-3，m=1.3时，dVt/dT典型值为-0.7mV/K。掺杂浓度增加时，温度系数降低。例：温度每升高100度，阈值电压降低55-75mV。在数字VLSI电路中，温度升高，阈值电压下降，漏电流增加，这是设计中必须考虑的问题。典型值：对于MOSFET器件，100C时的开关漏电流是25C时的30-50倍。,-,53,第6节MOSFET沟道迁移率,有效迁移率和有效电场电子迁移率数据空穴迁移率数据,-,54,有效迁移率和有效电场,有效迁移率（载流子浓度权重的平均值）：（46）有效电场定义：（47）是通过反型层中间层高斯表面的总电荷。（2.161）（20）应用（2.161）和（20）式得：（48）（24）,-,55,有效迁移率和有效电场（续）,（48）、（24）代入（47）得：（49）上式应用了：；因此，（50）,-,56,电子迁移率数据,（51）当时，有效迁移率下降很快。在高电场时，散射增加。,-,57,300K和77K时测量的电子迁移率,-,58,空穴迁移率数据,（52）因子1/3是经验因子，没有物理意义。,-,59,300K和77K时测量的空穴迁移率,-,60,第7节MOSFET电容和反型层电容的影响,本证MOSFET电容反型层电容多晶硅栅耗尽层的影响线性Ids-Vg特性,-,61,7.1本证MOSFET电容-亚阈区,反型层电荷变化可以忽略，当电势变化时，只有耗尽层电荷变化。因此，本证的栅-源-漏电容基本上是零（讨论在5.2.2部分），栅-to-体电容等于氧化层电容和耗尽层电容的串联。（53）Cd：电位面积耗尽层电容，在漏电压较大时，耗尽层宽度变宽，耗尽层电容减小。,-,62,7.1本证MOSFET电容-线性区,表面沟道一旦形成，由于反型层电荷的屏蔽作用，栅-体之间的电容很小，所有的栅电容是栅对沟道，源极，漏极的电容。由薄层电荷理论，低漏电压时：源端反型层电荷面密度：漏端反型层电荷面密度：栅下总的反型层电荷：栅对沟道的电容简化为氧化层电容：,-,63,7.1本证MOSFET电容-饱和区,（24）（27）在夹断点（饱和），漏端电荷密度为0，饱和电压Vds=Vdsat=(Vg-Vt)/m，由（24）式和（27）式得，y点反型层电荷面密度为：（55）上式在沟道长度和宽度方向积分得总的反型层电荷为：栅-to-沟道电容为：（56）,-,64,7.2反型层电容,以前的讨论均是在薄层电荷近似的基础上得出的，一旦反型，表面势被钉扎在S=2B,在此条件下，反型层电容可以忽略不计。但实际上，反型层有一定的厚度，反型后随着栅电压的增加，表面势也会有一些变化，这时反型层电容不能忽略。,-,65,Qi-Vg关系曲线实线（零漏电压时，PaoandSahsmodel）；虚线（电荷控制模型）,-,66,7.2反型层电容计算,（57）Cd近似为零，因为一旦出现强反型后，反型层电荷将屏蔽耗尽层电荷。（2.164）（2.178）把上面3个表达式代入（57）式，积分得：（58）,-,67,7.3多晶硅栅耗尽层的影响,如果栅是未掺杂的，多晶硅栅耗尽也对Qi-Vg关系曲线有影响。多晶硅耗尽区象一个与氧化层电容串联的大电容，当栅电压较大时，它使反型层中的电荷密度减弱。在高栅偏压时，多晶硅耗尽层的影响大于反型层电容影响。（58）式增加一个附加项。与（2.185）式推导过程相似。（59）Np：多晶硅栅有效的掺杂浓度。栅电荷密度：（忽略体硅耗尽层电荷）为了使（59）式中最后一项可以忽略，Np应在1020cm-3范围内，尤其对于薄氧化层MOSFET。,-,68,7.4线性Ids-Vg特性,（50）（51）（10）由上述3式可知，在低漏电压情况下（线性区），转移特性曲线为：（60）跨导：,-,69,7.4线性Ids-Vg特性（续）,在高栅偏压时，由于迁移率减小，漏电流和跨导均发生简并效应。（61）,-,70,反型层电容和迁移率简并效应Ids-Vg关系特性曲线,点线：阈值电压的外推值计算时假设没有考虑多晶硅耗尽,-,71,第8节MOSFET的频率特性,8.1MOSFET的栅跨导gm8.2小信号衬底跨导gmb8.3漏电导gd（MOSFET的非饱和区漏电导）8.4饱和区漏电导8.5MOSFET小信号等效电路模型8.6跨导截止频率gm8.7截止频率fT8.8提高MOSFET频率特性的途径,-,72,8.1MOSFET的栅跨导gm定义,表示栅源电压对漏电流的控制能力线性区：Vds小时，Vds大时，在饱和区：,-,73,8.1MOSFET的栅跨导gm讨论,当Vg一定时，跨导随Vds的上升而线性增加；Vds=Vdsat时，跨导达到最大值；VdsVdsat时，跨导与Vds无关，随栅电压的上升而增加。,-,74,8.1MOSFET的栅跨导gm栅电压的影响,在饱和区，跨导随栅电压的上升而增加，但栅电压上升到一定值时，跨导会下降；原因：栅电压低时，迁移率可看成常数，但栅电压大时，迁移率随电场强度的增加而下降，对栅电压的增加起补偿作用。,-,75,8.1MOSFET的栅跨导gm考虑速度饱和效应后源漏电压对跨导的影响,线性区：Vds大时,-,76,8.1MOSFET的栅跨导gm源漏电阻对跨导的影响,有一部分电压将在源、漏电阻上，实际的跨导值小于理论值。,-,77,8.2小信号衬底跨导gmb,定义：表示衬底偏置电压对漏电流的控制能力。因此，衬底的作用可成为另一个栅，也成为“背栅”。,-,78,8.3漏电导gd（MOSFET的非饱和区漏电导）,-,79,8.4饱