半导体器件物理21

1、 5.3 MOS 场效应晶体管的直流电流电压特性场效应晶体管的直流电流电压特性为了讨论方便，先作以下几个假设：为了讨论方便，先作以下几个假设： 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻； 沟道内掺杂均匀；沟道内掺杂均匀； 载流子在反型层内的迁移率为常数；载流子在反型层内的迁移率为常数； 长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电场长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电场是互相独立的。是互相独立的。 在沟道区不存在复合产生电流。在沟道区不存在复合产生电流。1线性区的电流电压特性线性区的电流电压特性N 沟增强型沟增强型 MOS 场效应晶体管的输出特性曲

2、线如图所示，场效应晶体管的输出特性曲线如图所示，图中的电流电压特性可以用夹断条件作为界限划分为线性图中的电流电压特性可以用夹断条件作为界限划分为线性区和饱和区。区和饱和区。下图是下图是 N 沟道沟道 MOS 管的示意图，晶体管处于栅电压大于阈值管的示意图，晶体管处于栅电压大于阈值电压（电压（ ），为简化分析，使衬底和源接地。），为简化分析，使衬底和源接地。VVTHGVyVVCyQTHG0n)()( 由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，因此沟道电流由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，因此沟道电流只含电场作用的漂移项，漂移电流为电子电流，则有只含电场作用的漂移项，漂移电流为电子电流，则

3、有yyVQZEyQZIyd)(d)(nnnnD设沟道中设沟道中 处的电位为处的电位为 ， 处反型层单位面积电子电荷处反型层单位面积电子电荷为为 ，则，则)(yV)(nyQyy将将 式代入上式可得：式代入上式可得：)(d)(dTHG0nDyVyVVVCZyI 将将 式积分，有：式积分，有：VLyVyVVVCZdyID0THG0n0D)(d)(上式上式 就是线性工作区的直流特性方程（称为萨支唐方就是线性工作区的直流特性方程（称为萨支唐方程），显然，程），显然， 很小时，很小时， 项可忽略，因此项可忽略，因此 与与 成成线性关系。线性关系。 增大时，增大时， 上升变慢，特性曲线开始向下弯上升变慢，特

4、性曲线开始向下弯曲。曲。 VD2/2DVVDIDVDID22DDTHGn0DVVVVLZCI 2饱和区的电流电压特性饱和区的电流电压特性VVVTHGDsat将上式代入萨支唐方程（将上式代入萨支唐方程（ 式），便可得到进入饱和区时的式），便可得到进入饱和区时的漏极饱和电流漏极饱和电流IDsatVVLZCITHG2n0Dsat2若增加漏极电压若增加漏极电压 至沟道夹断时，器件的工作进入饱和区。至沟道夹断时，器件的工作进入饱和区。使使 MOS 管进入饱和工作区所加的漏极电压为管进入饱和工作区所加的漏极电压为 ，则有，则有VDsatVD如果如果 MOS 管进入饱和工作区后，继续增加管进入饱和工作区后，

5、继续增加 ，则沟道夹断，则沟道夹断点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度 随随着着 的增大而不断变大，如图所示。的增大而不断变大，如图所示。VDxdVD通过单边突变结的公式得到通过单边突变结的公式得到NqVVVLLxaTHGD0rsd)(2进入饱和区后的漏极电流为进入饱和区后的漏极电流为IDsatNqVVVLILVVLZCIaTHGD0rsDsatTHG2n0Dsat)(22上式表明，当上式表明，当 增大时，分母减小，增大时，分母减小， 将随之增加。漏极饱将随之增加。漏极饱和电流随着沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效和电流

6、随着沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应，这个效应会使应，这个效应会使 MOS 管的输出特性曲线向上发生倾斜，导管的输出特性曲线向上发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。致它的输出阻抗降低。 VDIDsat3亚阈值区的电流电压特性亚阈值区的电流电压特性当当 时，半导体表面处于弱反型状态，流过漏极的电时，半导体表面处于弱反型状态，流过漏极的电流并不等于零，这时流并不等于零，这时 MOS 场效应晶体管的工作状态处于亚场效应晶体管的工作状态处于亚阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。对于在低压、低阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。对于在低压、低功耗下工作的功耗下工作的 MOS 管来说，亚阈值

7、区是很重要的，例如，管来说，亚阈值区是很重要的，例如，当当MOS 管在数字逻辑及储存器中用做开关时，就是这种情况。管在数字逻辑及储存器中用做开关时，就是这种情况。VVTHG对于长沟道对于长沟道 MOS 管，在弱反型时表面势可近似看作常数，因管，在弱反型时表面势可近似看作常数，因此可将沟道方向的电场强度视为零，这时漏源电流此可将沟道方向的电场强度视为零，这时漏源电流 主要是主要是扩散电流，即：扩散电流，即：ID 为通过电流的沟道截面积；为通过电流的沟道截面积； 为电子的扩散系数为电子的扩散系数ADnyynDqAId)(dnD 在平衡时，没有产生和复合，根据电流连续性要求，电子浓度在平衡时，没有产

8、生和复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线性变化的，即是随距离线性变化的，即将将 式代入式代入 式上式，可得式上式，可得LLnnDqAI)()0(nD yLLnnnyn)()0()0()( 又电子在又电子在 和和 处的浓度处的浓度 和和 分别为分别为0 xLx )0(n)(LnTkqnnBfSi)(exp)0(TkVqnLnBDfSi)(exp)( 将将 式代入式代入 式可得式可得:TkqTkVqTkqLnDqAIBSBDBfinDexpexp1expTkVVqIBTHGD)(exp为了将亚阈值区电流减小到可以忽略不计，必须将为了将亚阈值区电流减小到可以忽略不计，必须将 MOS 管管偏置

9、在比偏置在比 低低 0.5 V 或更低的电压值下。或更低的电压值下。 VTH上式可以看出，上式可以看出，MOS 管在压阈值区漏源电流管在压阈值区漏源电流 随着随着 指数指数变化。又因为表面势变化。又因为表面势 ，因此当，因此当 时，时，漏电流将指数地减小漏电流将指数地减小VDVVTHGSVVTHGID4转移特性转移特性漏源电流漏源电流 随栅压随栅压 变化的曲线称为变化的曲线称为 MOS 管的转移特性曲管的转移特性曲线，线，N 沟沟 MOS 管的转移特性曲线如图所示。转移特性说明栅管的转移特性曲线如图所示。转移特性说明栅压压 对漏源电流对漏源电流 控制作用的强弱。当控制作用的强弱。当 时，随着时，随着 的增加，沟道中导电载流子数量增多，沟道电阻减小，因的增加，沟道中导电载流子数量增多，沟道电阻减小，因而在一定的而在一定的 作用下，作用下，漏极电流上升。漏极电流上升。 后，后，MOS 管进入亚阈值管进入亚阈值区工作，漏极电流很小。区工作，漏极电流很小。IDVGVGIDVVTHGVGVDVVTHG5MOS 管的击穿管的击穿当漏源电压当漏源电压 增高时，会出现漏源电流突然增大的情况，增高时，会出现漏源电流突然增大的情况，这时器件进入了击穿区。击穿时所