半导体器件物理 课件 第六章

1、第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管1n6.1电容n6.2电容电压特性n6.3基本工作原理n6.4频率限制特性n6.5技术n6.6MOSFET概念扩展6.1 MOS电容n6.1.1 能带图n6.1.2 耗尽层厚度n6.1.3 功函数差n6.1.4 平带电压n6.1.5 阈值电压n6.1.6 电荷分布36.1 MOS电容 MOS电容结构氧化层厚度氧化层介电常数Al或高掺杂的多晶Sin型Si或p型SiSiO24实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000A O:250A S:约0.51mm）56.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形负栅压情形导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶

2、能级FSvFSvEEEE66.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形小的正栅压情形大的正栅压情形大的正栅压情形(耗尽层)(反型层+耗尽层)dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE76.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形正栅压情形FScFSCEEEE86.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形小的负栅压情形大的负栅压情形大的负栅压情形(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE96.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势费米势表面势表面势表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度/ss半导体

3、表面电势与体内电势之差半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似P型衬底型衬底106.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点阈值反型点条件：表面处的电子浓度条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度体内的空穴浓度表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度P型衬底型衬底表面电子浓度：表面电子浓度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：体内空穴浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp栅电压栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷区表面空间电荷区厚度达到最大值厚度达到最大值116.1 MOS电容 空间电荷区

4、厚度:n型衬底情形阈值反型点阈值反型点条件：条件：表面势表面势=费米势的费米势的2倍，表面处的空穴浓度倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压体内的电子浓度，栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度表面势表面势n型衬底型衬底126.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图金属的功函数金属的费米能级二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与半导体的功函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行

5、交换，136.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压， 热平衡热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能146.1 MOS电容 功函数差:计算公式00 ()2()gmsmfpoxSEeV V83. 0)cm10,K300(V228. 0:SiSiOAleV11. 1:SiV25. 3:SiOSiV20. 3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 内建电势差：ms功函数差156.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅(P-Si)0，使电子从源流到漏p沟道MOSFETn型衬

6、底，p型沟道，空穴导电VDS0n沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTN0按照零栅压时有无导电沟道可分为：按照零栅压时有无导电沟道可分为：366.3 MOSFET原理 MOSFET分类(3)p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP037增强型：栅压为增强型：栅压为0时不导通时不导通N沟（正电压开启沟（正电压开启 “1”导通）导通）P沟（负电压开启沟（负电压开启 “0”导通）导通）耗尽型：栅压为耗尽型：栅压为0时已经导通时已经导通N沟（很负才关闭）沟（很负才关闭）P沟（很正才关闭）沟（很正才关闭）386.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管工作原理场效应管

7、工作原理1. VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响对半导体表面空间电荷区状态的影响( (1) ) VGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD 当当VGS 逐渐增大时，栅逐渐增大时，栅氧化层下方的半导体表面氧化层下方的半导体表面会发生什么变化？会发生什么变化？BPGSiO2SDN+N+39( (2) ) VGS 00逐渐增大逐渐增大 栅氧化层中的场强越来越大，栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥它们排斥P型衬底靠近型衬底靠近 SiO2 一侧一侧的空穴，的空穴，形成由负离子

8、组成的耗形成由负离子组成的耗尽层。尽层。增大增大 VGS 耗尽层变宽。耗尽层变宽。 当当VGS继续升高时继续升高时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，的作用下，ID将进一步增加将进一步增加。BPGSiO2SDN+N+ +-+-+VGS- - - - - -反型层反型层iD由于吸引了足够多由于吸引了足够多P型衬底的电子，型衬底的电子，会在耗尽层和会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层之间形成可移动的表面电荷层 反型层、反型层、N 型导型导电沟道电沟道。这时，在这时，在VDS的作用下就会形成的作用下就会形成ID。( (3) ) VGS 继续增

9、大继续增大 弱反型弱反型 强反型强反型VDS40 阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用源电压。用VT表示。表示。阈值电压阈值电压MOS场效应管利用场效应管利用VGS来控制半导体表面来控制半导体表面“感应电感应电荷荷”的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流的多少，来改变沟道电阻，从而控制漏极电流 ID。 MOSFET是一种电压控制型器件。是一种电压控制型器件。 MOSFET能够工作的能够工作的关键关键是半导体是半导体 表面表面必须必须有导电沟道有导电沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道，而只有表面达到强反型时才会有沟道形成。形成。

10、 412. VDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(VGSVT)c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导电沟道呈现一个楔形。靠近导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。漏端的导电沟道减薄。 VDS 0，但值较小时：，但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀道厚度均匀VDSVGSBPGN+N+SDd.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动夹断区发生扩展，夹断点向源端移动VGD=VGSVDSVGSEL 423 .

11、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线1 1）输出特性曲线）输出特性曲线( (假设假设VGS=5V) ) 输出特性曲线输出特性曲线非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDS

12、at43VT VGS /VID /mAO2 2）转移特性曲线）转移特性曲线( (假设假设VDS=5V) ) a. VGS VT 器件内存在导电沟道，器件内存在导电沟道，器件处于器件处于导通导通状态，有输状态，有输出电流。且出电流。且VGS越大，沟越大，沟道导电能力越强，输出道导电能力越强，输出电流越大电流越大 转移特性曲线转移特性曲线444. N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管BPGN+N+SDSiO2+ + + + + + 1） N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构1、 结构结构2、 符号符号SGDB45ID/mAVGS /VOVP(b)(b)转移特性转移特性

13、IDSS(a)(a)输出输出特性特性ID/mAVDS /VO+1VVGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 202）基本工作原理）基本工作原理a. 当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，加正向电压，产生漏极电流产生漏极电流ID,此时的漏极电流此时的漏极电流称为称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示表示b. 当当VGS0时，时，ID进一步增加进一步增加。c. 当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小的减小漏极电流逐渐漏极电流逐渐减小减小。直至。直至ID=0。对应对应ID=0的的VGS称为夹断电压，称为夹断电压，用符号用符号VP表示。表示。46种种 类类符号符号转移特性曲线

14、转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 NMOS增强型增强型耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型耗尽型耗尽型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+_OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_ _IDVGS=VTVDS_ _o o_ _+VDSID+OVGS=VTIDVGS= 0V _ _VDSo o 47小小 结结 按照导电类型分按照导电类型分MOSMOS管分为管分为NMOSNMOS和和PMOSPMOS。按照零栅压时有无沟道又分为按照零栅压时有无沟道又分为增强型和耗尽型增强型和耗尽型两种形式。两种形式。 NMOSNMOS和和

15、PMOSPMOS结构十分相似，只是两者的结构十分相似，只是两者的衬底及源漏区掺杂类衬底及源漏区掺杂类型刚好相反型刚好相反。 特性曲线：输出特性曲线特性曲线：输出特性曲线(非饱和区、饱和区、击穿区非饱和区、饱和区、击穿区) 转移特性曲线转移特性曲线(表征了表征了VGS对对ID的的控制控制能力能力) 工作原理：工作原理：VGS ：耗尽耗尽 弱反型弱反型 强反型强反型 VDS ：减薄减薄 夹断夹断 扩展扩展 耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不耗尽型器件形成的原因，其基本特性与增强型器件之间的不同点。同点。定性分析定性分析486.3 MOSFET原理 I-V特性:基本假设xEyExy

16、n沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的（长沟器件）n栅氧化层中无电流n缓变沟道近似，即垂直于沟道方向上 的电场变化远大于平行于沟道方向上 的电场变化 (近似认为方向为常数)n氧化层中的所有电荷均可等效为 Si-SiO2界面处的有效电荷密度n耗尽层厚度沿沟道方向上是一 个常数n沟道中的载流子迁移率与空间 坐标无关n衬底与源极之间的电压为零496.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流50dxW2431566.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流xxE)(EnxyenJ电流密度电流密度:(漂移电流漂移电流密度为密度为)6.3 MOSFET原理 I-V特性:沟道电流X方向的电流强度：方向的电

17、流强度：x0000( )EccWxWxxxnIJ dydzen ydydz 0( )cxnQen y dy WWdz0 xEnnWQ 反型层中平行于沟道方向的电场：反型层中平行于沟道方向的电场：dxdVxxExxnndVIWQdx526.3 MOSFET原理 I-V特性:电中性条件0(max)SDnssmQQQQ53高斯定理123456n112233445566EEEEEEESSSSSSSdSdSdSdSdSdSdS相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E30WdxQQQQSDnssT)(max)STQdSnE表面所在材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区

18、域的总电荷量(max)oxESDnssoxQQQ6.3 MOSFET原理 I-V特性:表面电荷444oxEEoxSdSWdx dxW243156546.3 MOSFET原理 I-V特性:反型层电荷与电场ox(max)(max)EoxssnSDssnSDQQQQQQoxEoxoxVtmsfpoxxGSVVV2氧化层电势氧化层电势(max)2oxnSDssGSxfpmsoxQQQVVt 半导体表面空间电荷半导体表面空间电荷区的单位面积电荷区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟氧化层中垂直于沟道方向的电场道方向的电场由上三式可得由上三式可得反型层单位面反型层单位面积的电荷积的电荷oxoxoxtC/xxnn

19、dVIWQdx nOXGSTxQCVVV ()xxnoxGSTxdVIWCV-V -Vdx不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）x00IDSLVDxI dxdV)0()(22)(2satDSDSTGSDSDSTGSoxnDVVVVVVVVLCWI，当556.3 MOSFET原理 I-V特性:线性区与饱和区，处于饱和区若无关与TGSDSDSTGSoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(2，处于线性区若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)(0)(satDSDSVVDSDVITGSsatDSVVV)()(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI566.3 MOSFET原理

20、 p沟增强型MOSFET的I-V特性22()2poxDGSTDSDSWCIVV VVL非饱和区()poxDGSTDSWCIVV VL线性区2()()2poxD satGSTDS satGSTWCIVVLVVV（饱和区576.3 MOSFET原理 跨导(晶体管增益):模型常数DSVGSDmVIg()20)2()2DSDS satnoxDGSTDSDSVVWCIVV VVL非饱和区（含线性区，()2)()2DSDS satnoxDGSTVVWCIVVL饱和区（含线性区，跨导用来表征MOSFET的放大能力：noxnoxoxWCWLL t 令材料参数材料参数设计参数设计参数工艺参数工艺参数nW Lox

21、t影响跨导的因素：DSnoxmLDSGSVWCgVLV与无关()GSTnoxmsGSTDSVVWCgVVLV与无关586.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(1)0必须反偏或零偏Vsb=Vs-Vb0,即Vb更负（这样才反偏）在沟道源端感应出来在沟道源端感应出来的电子全跑掉了的电子全跑掉了596.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(2)能带图衬底偏压表面准费米能级反型条件耗尽层电荷不同衬偏电压条件下的能带图：不同衬偏电压条件下的能带图：0SBV0SBV606.3 MOSFET原理 衬底偏置效应(4)阈值电压需更大的正栅压才能反型，且VSB越大，VT越大体效应系数616.4 频率限制特性 交流小信

22、号参数源极串联电阻栅源交叠电容漏极串联电阻栅漏交叠电容漏-衬底pn结电容栅源电容栅漏电容跨导寄生参数本征参数626.4 频率限制特性 完整的小信号等效电路共源共源n沟沟MOSFET小信号等效电路小信号等效电路总的栅源电容总的栅漏电容与ID-VDS曲线的斜率有关636.4 频率限制特性 简化的小信号等效电路低频条件下只计入低频条件下只计入rs只计入本征参数只计入本征参数msmmmdgsmgssmmgsmdgsgssmsgsmgsgssgrgggIVgVrggVgIVVrgrVgVVr11)1 ()(的影响低频条件下只计入低频条件下只计入rds646.4 频率限制特性 MOSFET频率限制因素限制

23、因素限制因素2：对栅电极或电：对栅电极或电容充电需要时间容充电需要时间限制因素限制因素1：沟道载流子从源：沟道载流子从源到漏运动需要时间到漏运动需要时间710 cm/s; 1msatvLGHz1001ps10ttsltfvL截止频率沟道渡越时间沟道渡越时间通常不是主要频率限制因素对对Si MOSFET，饱和，饱和漂移速度漂移速度656.4 频率限制特性 电流-频率关系负载电阻)(/)(gsdTgdgsmLdddgsTgdgsTgsiVVCjVgRVIVVCjVCjI11mLigsTgdTgsLgdTg RIjCCVj R C)1 (LmTgdMRgCC密勒电容1TgdLCR通常输入电流输出电流

24、对栅电容充电需要时间对栅电容充电需要时间消去电压变量VD(1)gsTgdTmLgsjCCg RVgsTMgsjCCV666.4 频率限制特性 密勒电容等效)1 (LmTgdMRgCC密勒电容67igsTMgsdmgsIjCCVIg V输入电流输出电流12 ()2dimmmTIgsTMGIGgsTMgggffCCCCCC跨导截止频率等效输入栅极电容G0, (1)0 , ()gdMgdTmLgsTgsoxnoxmGSTCCCg RCCCC WLWCgVVLgdpgsp在理想情况下，交叠或寄生电容C,C=0饱和区截止频率：电流增益为截止频率：电流增益为1时的频率。时的频率。22()2nnGSTTVV

25、fLL迁移率沟道长度的平方提高频率特性：提高频率特性：提高迁移率（提高迁移率（100方向，工艺优质）；缩短方向，工艺优质）；缩短L；减小寄生电容；增大跨导；减小寄生电容；增大跨导；12()dmigsTMIgIf CC电流增益686.4 频率限制特 截止频率推导 小结 1nMOS电容是电容是MOSFET的核心。随表面势的不同，半导体表面的核心。随表面势的不同，半导体表面可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。可以处于堆积、平带、耗尽、本征、弱反型、强反型等状态。 MOSFET导通时工作在强反型状态导通时工作在强反型状态.n栅压、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲栅压、

26、功函数差、氧化层电荷都会引起半导体表面能带的弯曲或表面势。或表面势。n表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压表面处于平带时的栅压为平带电压，使表面处于强反型的栅压为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层为阈值电压。阈值电压与平带电压、半导体掺杂浓度、氧化层电荷、氧化层厚度等有关。电荷、氧化层厚度等有关。nC-V曲线常用于表征曲线常用于表征MOS电容的性质，氧化层电荷使电容的性质，氧化层电荷使C-V曲线曲线平移，界面陷阱使平移，界面陷阱使C-V曲线变缓曲线变缓.nMOSFET根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状根据栅压的变化可以处于导通（强反型）或者截止状

27、态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引态，故可用作开关；加在栅源上的信号电压的微小变化可以引起漏源电流的较大变化，故可用作放大。起漏源电流的较大变化，故可用作放大。69 小结 2nMOSFET可以分为可以分为n沟道、沟道、p沟道，增强型、耗尽型。对于不同类沟道，增强型、耗尽型。对于不同类型的型的MOSFET，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。，栅源电压、漏源电压、阈值电压的极性不同。n特性曲线和特性函数是描述特性曲线和特性函数是描述MOSFET电流电流-电压特性的主要方式。电压特性的主要方式。跨导和截止频率是表征跨导和截止频率是表征MOSFET性质的两个最重要的参数。性质

28、的两个最重要的参数。n根据根据MOSFET的转移特性（的转移特性（ID-VGS），可分为导通区和截止区；），可分为导通区和截止区；根据根据MOSFET的输出特性（的输出特性（ID-VDS），可分为线性区、非饱和区），可分为线性区、非饱和区和饱和区。和饱和区。n影响影响MOSFET频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道频率特性的因素有栅电容充放电时间和载流子沟道渡越时间，通常前者是决定渡越时间，通常前者是决定MOSFET截止频率的主要限制因素。截止频率的主要限制因素。nCMOS技术使技术使n沟沟MOSFET和和p沟沟MOSFET的优势互补，但可能的优势互补，但可能存在闩锁等不良效应。存在闩

29、锁等不良效应。706.6 MOSFET概念的深入n6.6.1非理想效应n6.6.2 MOSFET按比例缩小理论n6.6.3 阈值电压的修正n6.6.4 附加电学特性n6.6.5 辐射和热电子效应*716.6.1 非理想效应 亚阈值电流: 定义亚阈值电流亚阈值电流TGVV 区半导体表面处于弱反型fpsfp2726.6.1 非理想效应 亚阈值电流: 比较施加小的漏电压时，n沟道MOSFET沟道表面势示意图堆积状态堆积状态：势垒很高电子无法跃过无法形成表面电流弱反型状态弱反型状态：势垒较低电子有一定的几率越过势垒形成亚阈值电流强反型状态强反型状态：势垒极低大量电子越过势垒形成沟道电流736.6.1

30、非理想效应 亚阈值电流: 电压特性无关即与，略大时，如漏源电压DS（sub)DDSDSVITkTeVVK300,V104. 0/4改变一个数量级），改变（当与栅源电压成指数关系（sub)DS（sub)DIVImV60G IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。746.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:机理LILLLLVVDDSDS1饱和区：756.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:模型1视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展1()()2()()spfpDS satfpDS sataxVVeN沟道夹断时漏衬结空间

31、电荷区宽度 结反偏压2()()2()()spfpDS satDSfpDS satDSaxVVVVeN沟道夹断后漏 衬结空间电荷区宽度 结反偏压2)()(12satDSfpDSsatDSfpasppVVVeNxxL夹断区长度()()DD satD satLIIILL漏源电流2()()2noxD satGSTWCIVVL766.6.1 非理想效应沟道长度调制效应:模型2( )axeN 夹断区的电荷密度 （与空间座标无关）satsat0sat0E( )EE(EE)xaxsseN xxxdx 夹断区内 点的电场强度 边界条件2sat()0()0)E)E()2xaDS satxDS satseN xxx

32、x dxxVV 夹断区内 点的电势（边界条件2sat0E( )()(0)E2LaDSseN LVx dxLL夹断区两端的电势差 satsatDSDSfpasVVeNL)(2)(夹断区长度2sat2E2assateN其中E( )sdxdx夹断区横向电场满足的一维泊松方程 776.6.1 非理想效应 沟道长度调制效应:影响因素著沟道长度调制效应越显的绝对值越大越小衬底掺杂浓度 LNa著沟道长度调制效应越显的相对值越大越小沟道长度 LLID的实测值高于理论值在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加()2()sfpDSDS satsataLVVeN()DD satLIILL786.6.1 非理想效应

33、迁移率变化:纵向电场的影响(1)(表面表面散射界面沟道载流子的运动趋近纵向电场GSsGSVfV迁移率 表面散射79seff11106.6.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(2)体迁移率(典型值600cm2/Vs, NMOS）表面迁移率000(, )1( )1effGSGSTsf VxVVV x典型值0.03 有效迁移率：有效迁移率经验表达式：806.6.1 非理想效应 迁移率变化:漂移速度与电场的关系峰值电场强度峰值漂移速度饱和漂移速度cm/s10)86(cm/V101 . 1,cm/s103:InPcm/s10)86(cm/V105 . 3,cm/s102:GaAscm/V105,

34、cm/s101:Si63763747seppseppCsevEvvEvEv816.6.1 非理想效应 迁移率变化:Si的情形（104V/cm)Ev低场：迁移率不随E而变高场：迁移率随E增加而下降强场：迁移率与E成反比dEdv826.6.1 非理想效应 迁移率变化:GaAs、InP的情形（104V/cm)与Si相比，GaAs、InP的特点：存在漂移速度峰值迁移率大存在负微分迁移率区饱和漂移速度小836.6.1 非理想效应 迁移率变化:速度饱和效应漏源电流下降 提前饱和 TGSsatDSVVV)(饱和漏源电流与栅压成线性关系 饱和区跨导与偏压及沟道长度无关 截止频率与栅压无关 846.6.1 非理

35、想效应 弹道输运n非弹道输运MOSFETn沟道长度L0.1m，大于散射平均自由程；n载流子从源到漏运动需经过多次散射；n载流子运动速度用平均漂移速度表征；n弹道输运MOSFETn沟道长度L0.1m，小于散射平均自由程；n载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运；n高速器件、纳米器件；856.6.2 按比例缩小 为什么要缩小MOSFET尺寸?提高集成度：同样功能所需芯片面积更小提升功能：同样面积可实现更多功能降低成本：单管成本降低改善性能：速度加快，单位功耗降低若尺寸缩小30，则 栅延迟减少30，工作频率增加43 单位面积的晶体管数目加倍 每次切换所需能量减少65，节省功耗5086n完全按

36、比例缩小完全按比例缩小(Full Scaling)n尺寸与电压按同样比例缩小n电场强度保持不变n最为理想，但难以实现6.6.2 按比例缩小 缩小方式恒压按比例缩小恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling)尺寸按比例缩小，电压保持不变电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重一般化按比例缩小一般化按比例缩小(General Scaling)尺寸和电场按不同的比例因子缩小迄今为止的实际做法876.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:规则2(2)2afpTFBfpoxe NVVCxE, DSWkW LkLV 不变DSkVGI VSV 特性不变TVG,SkVTkVyEoxt 不变,ox

37、ktDDxkx/DSDaVxNaaNNk )(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI(,kk第一项后二项与 无关）886.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:结果WLkLW2沟道面积LWLW沟道宽长比RWLR导通电阻oxoxoxkCtWLC总栅电容DDkIVLWI漏源电流DIkIVP2功率pWLPp功率密度kRC 延迟时间896.6.2 按比例缩小 完全按比例缩小:小结906.6.3 阈值电压修正 VT与L、W的相关性无关、宽度与沟道长度的阈值电压长、宽沟道WLVCQVfpFBoxSDTN2|MOSFETmax的变化而变化随沟道长度的阈值电压（短沟道LrLj)MOSFET的变化而变化随沟

38、道宽度的阈值电压（窄沟道WxWdT)MOSFET漏、源区扩散结深rj表面空间电荷区厚度xdTn沟道MOSFET短沟道长沟道n沟道MOSFET窄沟道宽沟道91LL6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:表面空间电荷 短沟道效应dTaBdTaBGSxeNQWLxeNQV|(max单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用长沟道）：理想模型)2(1|2|(maxLLLLLxeNQWLLxeNQVdTaBdTaBGS利用单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用短沟道）：实际情形926.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:L的计算LL源-体结空间电荷区宽度表面空间电荷区宽度漏-体结空间电荷区宽度源、漏

39、pn结结深dTdsTGBDSxxxVVV）（）假定：（2;, 01121jdTjrxrL12111|maxjdTjdTadTaBrxLrxeNLLxeNQjdTrxjrLdTx930121TTjdTjoxdTaTrxLrCxeNVVV（长沟道）（短沟道）12112|2maxjdTjoxdTafpFBoxBfpFBTrxLrCxeNVCQVV若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少6.6.3 阈值电压修正 VT随L的变化:VT的计算-0.140Vm18. 0,V376. 0,F/cm1067. 7m5 . 0,m25. 1,nm45,cm10

40、3MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaVxCrLtN沟道计算实例946.6.3 阈值电压修正 VT随W的变化:表面电荷 窄沟道效应max(GSBadTBadTVQeN x WLQeN x理想模型 适用宽沟道）：受控制的表面总电荷 单位面积的表面电荷 max(| |2|12GSBadTdTdTBadTVQeN xWLLxxQeN xW实际情形 适用窄沟道）：受控制的表面总电荷 单位面积的表面电荷 LxdT241241圆柱体的体积为边缘两个95WXCxeNVVdoxdTafpFBT212max02(WxCxeNVVVdToxdTaTTT宽沟道）窄沟道）WxCxeNVdToxdTaT圆柱体，则若沟道边缘非4/1若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加6.6.3 阈值电压修正 VT随W的变化:VT的计算0.2Vm18. 0,V376. 0,F/cm1067. 7/2m,5 . 0,m59. 1,nm45,cm103MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaVxCrWtN沟道计算实例966.6.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:原理np型半导体表面注入受主杂质Na（如B）半导体表面净掺杂浓度