半导体器件基础3

1、半导体器件半导体器件半导体器件基础半导体器件基础半导体概要半导体概要载流子模型载流子模型载流子输运载流子输运pn结的静电特性结的静电特性pn结二极管：结二极管：I-V特性特性pn结二极管：小信号导纳结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性结二极管：瞬态特性BJT的基础知识的基础知识BJT静态特性静态特性BJT动态响应模型动态响应模型JFET和和 MESFET简介简介MOS结构基础结构基础MOSFET器件基础器件基础半导体器件半导体器件基本概念基本概念 Junction Field Emission Transistor(JFET) 20世纪世纪2030年代发明年代发明 Non-linear

2、voltage-controlled resistorUse of “drain” and “source” for output loop“gate” and “source” for input loop Use reverse-biased P-N juntion to control cross-section of device Total resistance depends on voltage applied to the gate半导体器件半导体器件JFET的结构的结构半导体器件半导体器件JFET的工作原理的工作原理 栅电压控制耗尽区宽度栅电压控制耗尽区宽度P+P+DSGGn

3、半导体器件半导体器件特性特性20)/1 (PGDDsatVVII半导体器件半导体器件MESFET半绝缘GaAsN+N+N-GaAsDS 肖特基接触形成栅肖特基接触形成栅G半导体器件半导体器件JFET、MESFET和和BJT的区别的区别 MESFET与与JFET原理相同，不同点是原理相同，不同点是MESFET中的栅中的栅结为肖特基结。结为肖特基结。 FET的电流传输主要由多数载流子承担，不出现少数的电流传输主要由多数载流子承担，不出现少数载流子存储效应。有利于达到较高的截止额率和较快载流子存储效应。有利于达到较高的截止额率和较快的开关速度。的开关速度。 FET是电压控制器件，是电压控制器件，BJ

4、T是电流控制器件。是电流控制器件。FET输输入阻抗高。入阻抗高。 高电平下高电平下JFET的漏极电流具有负的温度系数，因而不的漏极电流具有负的温度系数，因而不致出现由于热电正反馈而产生的二次击穿，有利于高致出现由于热电正反馈而产生的二次击穿，有利于高功率工作。功率工作。 FET由于是多子器件，抗辐照能力比较强。由于是多子器件，抗辐照能力比较强。 JFET与与BJT及及MOSFET工艺兼容有利于集成。工艺兼容有利于集成。 JFET、MESFET可以采用非硅材料制造可以采用非硅材料制造。半导体器件半导体器件 MOSFET与与BJT的比较的比较输入阻抗高输入阻抗高噪声系数小噪声系数小功耗小功耗小温度

5、稳定性好温度稳定性好抗辐射能力强抗辐射能力强工艺要求高工艺要求高速度低速度低MOS结构基础结构基础半导体器件半导体器件MOSFET结构结构半导体器件半导体器件基本工作原理基本工作原理V VG G是控制电压。是控制电压。当当V VG GV VT T，两个背靠背二极管，两个背靠背二极管当当V VG G略小于略小于V VT T时，表面耗尽层产生时，表面耗尽层产生当当V VG GVVT T时，表面反型时，表面反型半导体器件半导体器件分类分类 N沟和沟和P沟沟半导体器件半导体器件分类分类-1 增强和耗尽增强和耗尽半导体器件半导体器件硅表面硅表面 理想硅表面理想硅表面键的排列从体内到表面不变键的排列从体内

6、到表面不变, ,硅体特性不受影响硅体特性不受影响半导体器件半导体器件硅表面硅表面-1 真实表面真实表面v表面沾污表面沾污(C,O etc.)v表面重构表面重构半导体器件半导体器件硅表面硅表面-2表面钝化表面钝化最常见的钝化材料最常见的钝化材料: SiO2半导体器件半导体器件硅表面硅表面-3 二氧化硅的宽禁带阻止了半导体中载流子的逃逸半导体器件半导体器件能带图能带图半导体器件半导体器件能带图能带图-1 无偏压时无偏压时MOSMOS结构中由于功结构中由于功函数差引起的函数差引起的表面能带弯曲表面能带弯曲半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件MOS结构的基本公式结构的基本公式半导体器件半导体器件M

7、OS结构的基本公式结构的基本公式-1总电势总电势差差:半导体器件半导体器件耗尽耗尽半导体器件半导体器件耗尽耗尽-12/1222222)0()()(;2)()(0)(; 0)()()(;)()()(asssassasasasaaqNWWqNxxWqNxxWqNxWxWxdxxdxqNxxqNNnpqx（边界条件）（边界条件）半导体器件半导体器件 反型反型半导体器件半导体器件反型反型-1 耗尽层电荷:半导体器件半导体器件 积累半导体器件半导体器件平带平带半导体器件半导体器件Qsss =0, Qs=0, =0, flat bands 0, accumulations 0, Qs0, Qs2 F, S

8、trong inversion)(ANnpq半导体器件半导体器件Flat Band VoltageVFB MS MS半导体器件半导体器件外加偏置外加偏置半导体器件半导体器件基本基本定量公式定量公式typeNnNqkTtypePnNqkTNkTbulkEEExpnbulknNkTEbulkEExpnbulkpEbulkEqEbulkEqxEbulkEqxiDFiAFDiFiAFiiFiFiisii)./ln()./ln()()()()()(1)0()(1:)()(1)(表面势半导体器件半导体器件栅电压栅电压 VGssoxssoxxsemioxoxxoxoxssemioxsemiGxKKKKDDx

9、dxxV0000000)0(sssGxKKV00半导体器件半导体器件栅电压栅电压 VG)20.(2221000210FsssAssGssAsKqNxKKVKqN半导体器件半导体器件MOS电容电容0 半导体器件半导体器件MOS电容电容 电容的定义:半导体器件半导体器件MOS电容电容-1半导体器件半导体器件MOS电容电容-2 积累态: 耗尽态:0001oGoosooossKACCxC CCCK WCCK x半导体器件半导体器件MOS电容电容-3 反型半导体器件半导体器件实验结果实验结果半导体器件半导体器件深耗尽深耗尽 从耗尽扫描到反型时从耗尽扫描到反型时, 需要少子需要少子半导体器件半导体器件小结

10、小结 MOSMOS基本结构基本结构 硅表面状态硅表面状态: :耗尽耗尽反型反型积累积累平带平带 栅电压关系栅电压关系 MOSMOS电容电容半导体器件半导体器件半导体器件基础半导体器件基础半导体概要半导体概要载流子模型载流子模型载流子输运载流子输运pn结的静电特性结的静电特性pn结二极管：结二极管：I-V特性特性pn结二极管：小信号导纳结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性结二极管：瞬态特性BJT的基础知识的基础知识BJT静态特性静态特性BJT动态响应模型动态响应模型MOS结构基础结构基础 MOSFET器件基础器件基础JFET 和和 MESFET简介简介半导体器件半导体器件工作原理工作原理半

11、导体器件半导体器件工作原理工作原理-1半导体器件半导体器件I-V特性的定量分析特性的定量分析 预备知识预备知识 阈值电压阈值电压衬底表面开始强反型时的栅源电压衬底表面开始强反型时的栅源电压VT理想情况下（理想情况下（p型衬底）型衬底） 042SoATFFOSK xqNVKK半导体器件半导体器件阈电压阈电压-1MSSOXGBSGBFgSOXMOXOXVVVqVqVqEqqV)2(半导体器件半导体器件阈电压阈电压-2 VBS=0时的阈电压 VT(0)半导体器件半导体器件阈电压阈电压-3 实际的实际的MOSMOS器件中器件中, Q, QOXOX不为不为0, 0, 金属金属/ /半导体功半导体功函数差

12、函数差 MSMS也不等于也不等于0, 0, 当当V VG G=0=0时半导体表面已时半导体表面已经发生弯曲经发生弯曲, , 为使能为使能带平直，需加一定的外加带平直，需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响，这个外加栅栅压去补偿上述两种因素的影响，这个外加栅压值称为压值称为平带电压，记为平带电压，记为V VFBFB。半导体器件半导体器件阈电压阈电压-4V VT T的调整的调整: :衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度1.1. 二氧化硅厚度二氧化硅厚度半导体器件半导体器件阈电压阈电压-5 VBS不为不为0时的阈电压时的阈电压VBSNPNDrain半导体器件半导体器件阈电压阈电压-6NMOSPMOS定义定义

13、:则则半导体器件半导体器件阈电压阈电压-7 衬偏调制系数的定义衬偏调制系数的定义:半导体器件半导体器件阈电压-8 离子注入掺杂调整离子注入掺杂调整阈电压阈电压一般用理想的阶梯一般用理想的阶梯分布代替实际的分分布代替实际的分布布按注入深度不同按注入深度不同, , 有以下几种情况有以下几种情况: :浅注入浅注入深注入深注入中等深度注入中等深度注入半导体器件半导体器件阈电压阈电压-9 浅注入浅注入注入深度远小于表面最大耗尽层厚度，半导体表面达到强反型注入深度远小于表面最大耗尽层厚度，半导体表面达到强反型时，薄层中电离的受主中心的作用与界面时，薄层中电离的受主中心的作用与界面另一侧另一侧SiO2中中Q

14、 ox的作的作用用相似。相似。 深注入深注入阶梯深度大于强反型状态下的表面最大耗尽区厚度阶梯深度大于强反型状态下的表面最大耗尽区厚度半导体器件半导体器件阈电压阈电压-10 中等深度注入中等深度注入半导体器件半导体器件有效迁移率有效迁移率 载流子迁移率受材料内部晶格散射和离载流子迁移率受材料内部晶格散射和离化杂质散射决定化杂质散射决定 表面碰撞减低迁移率表面碰撞减低迁移率)(0)(0)(0)(0),(),()(),()(),(),(),(yxnNnyxNyxyxnnccccdxyxnyxyQqdxyxnqyQdxyxndxyxnyxN+N+Lxy半导体器件半导体器件有效迁移率有效迁移率-1 与栅

15、电压有关与栅电压有关)(10TGnVV V VG G越大越大有效迁移率越小有效迁移率越小半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论非饱和区电流电压方程非饱和区电流电压方程萨方程萨方程(SPICE(SPICE一级模型一级模型) )基本假定基本假定: :衬底均匀掺杂。衬底均匀掺杂。长沟道器件，沟道两端的边缘效应以及其他短沟道效应不起作长沟道器件，沟道两端的边缘效应以及其他短沟道效应不起作用；沟道宽度远大于沟道长度，与沟道电流垂直方向上的两侧用；沟道宽度远大于沟道长度，与沟道电流垂直方向上的两侧边缘效应也不予考虑。边缘效应也不予考虑。反型层内载流子迁移率等于常数。反型层内载流子迁移率等于常数。二氧化硅

16、层电荷面密度二氧化硅层电荷面密度Q QOXOX等于常数。等于常数。忽略漏区、源区体电阻及电极接触电阻上的电压降。忽略漏区、源区体电阻及电极接触电阻上的电压降。忽略源、漏忽略源、漏PNPN结及场感应结的反向漏电流。结及场感应结的反向漏电流。强反型近似条件成立。强反型近似条件成立。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。缓变沟道近似条件成立，即与缓变沟道近似条件成立，即与Si/SiOSi/SiO2 2界面垂直方向电场强度的界面垂直方向电场强度的数值远大于沟道流动方向上的电场强度数值。数值远大于沟道流动方向上的电场强度数值。忽略表面耗尽区电荷面密度沿沟道电流流动方向的变化

17、忽略表面耗尽区电荷面密度沿沟道电流流动方向的变化。半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论-1引用欧姆定律，列沟引用欧姆定律，列沟道电流密度方程。道电流密度方程。 iixnwxncnyncdxyxnqyQdxdzyxndyydVqIdyydVyxnqEyxnqyxJ000),()(),()()(),(),(),(dyydVyWQInnc)()(半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论-2给出强反型表面势给出强反型表面势的表达式的表达式 栅下半导体表面不栅下半导体表面不同位置上的表面势同位置上的表面势不一样不一样表面耗尽区最大表面耗尽区最大电荷面密度电荷面密度: :假定假定10:10:)(2si

18、nyVVVBSFpv21)(2(2yVVNqQBSFpAsBM21)0(2(2VVNqQBSFpAsBM21)2(2BSFpAsVNq半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论-3(3)求求Qn(y)( )( )nOXGTQyCVVV y半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论-4求求ID0L积分积分:半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论-5Qn(L)=0 表示沟道漏端夹断表示沟道漏端夹断夹断点移动到夹断点移动到L处处:得得半导体器件半导体器件平方律理论平方律理论-6当当VDSVDsat时，超过时，超过VDsat那部分外加电压降落在夹断区上。那部分外加电压降落在夹断区上。夹断区是已耗尽空穴的

19、空间电荷区，电离受主提供负电荷，夹断区是已耗尽空穴的空间电荷区，电离受主提供负电荷，漏区一侧空间电荷区中的电离施主提供正电荷。漏区一侧空间电荷区中的电离施主提供正电荷。漏区和夹断区沿漏区和夹断区沿y方向看类似于一个方向看类似于一个N+P单边突变结。单边突变结。当夹断区上电压降增大时，夹断区长度扩大，有效沟道长度当夹断区上电压降增大时，夹断区长度扩大，有效沟道长度缩短。缩短。对于长沟道对于长沟道MOSFET，未夹断区的纵向及横向的电场和电荷，未夹断区的纵向及横向的电场和电荷分布基本上与分布基本上与VDS=VDsat时时相同相同, , 漏极电流恒定不变，这就是漏极电流恒定不变，这就是电流饱和。电流

20、饱和。2)(2TGSDsatVVI半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件体电荷理论体电荷理论 假设假设1010不成立时不成立时2102100)2(2)2(2)()()()(FAsTFAsTATGNqNKWqNKyWWyWqNVVCyQ半导体器件半导体器件饱和区特性饱和区特性 实际应用的实际应用的MOSFETMOSFET，在饱和区工作时漏，在饱和区工作时漏极电流都是不完全饱和的。极电流都是不完全饱和的。 I ID D随随V VDSDS增加而缓慢上升增加而缓慢上升 两种机理解释：两种机理解释：沟道长度调制效应沟道长度调制效应漏沟静电反馈效应漏沟静电反馈效应半导体器件半导体器件沟道长度调制效应沟道

21、长度调制效应V VDSDSVVDsatDsat时，漏端夹断时，漏端夹断。当当L较短时：较短时：定义沟道长度调制系数：定义沟道长度调制系数：半导体器件半导体器件漏沟静电反馈效应漏沟静电反馈效应 对于制造在低掺杂衬底上的对于制造在低掺杂衬底上的MOSFETMOSFET，若源漏间距，若源漏间距比较小，人们发现它的动态输出电阻比具有同样比较小，人们发现它的动态输出电阻比具有同样几何结构，但制造在高掺杂衬底上的几何结构，但制造在高掺杂衬底上的MOSFETMOSFET的动的动态输出电阻低得多。对于这一现象，只是用沟道态输出电阻低得多。对于这一现象，只是用沟道长度调制效应已无法解释，而必须考虑同时存在长度调

22、制效应已无法解释，而必须考虑同时存在着的其他作用着的其他作用漏场对沟道区的静电反馈。漏场对沟道区的静电反馈。 漏沟静电反馈效应是指衬底低掺杂，沟道又比较漏沟静电反馈效应是指衬底低掺杂，沟道又比较短的情况下漏衬短的情况下漏衬PNPN结耗尽区宽度以及表面耗尽结耗尽区宽度以及表面耗尽区厚度与几何沟道长度可比拟时，漏区和沟道之区厚度与几何沟道长度可比拟时，漏区和沟道之间将出现明显的静电耦合，漏区发出的场强线中间将出现明显的静电耦合，漏区发出的场强线中的一部分通过耗尽区中止于沟道。的一部分通过耗尽区中止于沟道。半导体器件半导体器件漏沟静电反馈效应漏沟静电反馈效应-1 外加附加源漏电压将在外加附加源漏电压

23、将在漏漏PNPN结耗尽区靠近漏区结耗尽区靠近漏区边界附近及沟道分别感边界附近及沟道分别感应出正负电荷，沟道中应出正负电荷，沟道中电子数量增加导致电阻电子数量增加导致电阻减小，因而电流随之增减小，因而电流随之增大。大。半导体器件半导体器件击穿特性击穿特性 漏源击穿电压漏源击穿电压BVBVDSDS1 1栅调制击穿栅调制击穿2 2沟道雪崩倍增击穿沟道雪崩倍增击穿3 3寄生寄生NPNNPN晶体管击穿晶体管击穿4 4漏源穿通漏源穿通半导体器件半导体器件小信号特性和瞬变特性小信号特性和瞬变特性 小信号参数小信号参数栅跨导栅跨导)(TGSmDSmVVgVg非饱和区跨导非饱和区跨导: :饱和区跨导饱和区跨导:

24、 :提高跨导提高跨导: :加大沟道宽长比加大沟道宽长比W/LW/L减薄栅氧化层厚度减薄栅氧化层厚度尽量采用尽量采用NMOSFETNMOSFET结构结构半导体器件半导体器件小信号特性和瞬变特性小信号特性和瞬变特性-1 小信号参数衬底跨导提高衬底跨导提高衬底跨导: :提高表面迁移率提高表面迁移率增大增大W/LW/L1.1. 提高衬底掺杂浓度提高衬底掺杂浓度半导体器件半导体器件小信号特性和瞬变特性小信号特性和瞬变特性-3 小信号参数小信号参数漏源电导漏源电导提高漏源电导提高漏源电导: :提高表面迁移率提高表面迁移率1.1. 增大增大W/LW/L半导体器件半导体器件本征电容本征电容 本本征电容是指表示

25、在本征征电容是指表示在本征MOSFET小信号及大小信号及大信号等效电路中的电容元件，来源于晶体管的信号等效电路中的电容元件，来源于晶体管的各个区域或各个电极上的储存电荷随引出端电各个区域或各个电极上的储存电荷随引出端电位的变化位的变化。GSDB电容电容: :CgsCgdCgbCbsCbdCds半导体器件半导体器件小信号模型小信号模型 本征本征MOSFET的的中中频小信号模型频小信号模型半导体器件半导体器件短沟道效应短沟道效应 沟道长度缩短所带来的沟道长度缩短所带来的问题是，可能出现与长问题是，可能出现与长沟道效应，即按经典的沟道效应，即按经典的长沟道理论预示的特性长沟道理论预示的特性的偏离，这些偏离