微电子器件第七章MOS场效应晶体管剖析.ppt

微电子器件原理 第七章 MOS场效应晶体管 第七章 MOS场效应晶体管 §7.1 基本结构和工作原理 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 频率特性 §7.5 功率特性和功率MOSFET结构 §7.6 开关特性 §7.7 击穿特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应 2.强反型条件 2.强反型条件 上述4种电荷的作用统归于Qox——等效电荷 电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷 由Vms、Qox及N的共同作用使器件呈增强型或耗尽型 对n-MOS：Qox若较大，则易为耗尽型。欲得增强型，需控制Qox，并适当提高衬底浓度 对p-MOS：VT总是负值，易为增强型。欲得耗尽型，需采用特殊工艺或结构，如制作p预反型层，或利用Al2O3膜的负电荷效应，制作Al2O3 /SiO2复合栅等。 与双极器件相比： MOSFET为多子器件，因其沟道迁移率随温度上升而下降，在大电流下沟道电流具有负的温度系数。这种电流随温度上升而下降的负反馈效应使MOS器件不存在电流集中和二次击穿的限制问题。 在小信号下，MOS器件的输出电流id与输入电压ug可近似呈线性关系，而双极型器件电流与电压呈指数关系变化。故其可在足够宽的电流范围内用作线性放大器。 MOS器件输入阻抗高，作功率开关时需要的驱动电流小，转换速度快；作功率放大时增益大且稳定性好。 MOSFET的不足之处在于饱和压降及导通电阻都较双极器件大。解决这方面的问题将是发展MOSFET的努力方向。 等比例缩小(Scaling-down)定律 1974年由Dennard 基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数 漏源电流方程： 由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了?倍，Cox增大了?倍，因此，IDS缩小?倍。门延迟时间tpd为： 其中VDS、IDS、CL均缩小了?倍，所以tpd也缩小了?倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PW?tpd则缩小了?3倍。 恒定电场定律的问题 阈值电压不可能缩得太小 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小 电源电压标准的改变会带来很大的不便 恒定电压等比例缩小规律(简称CV律) 保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小 按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强 CV律一般只适用于沟道长度大于1?m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。 准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律 CE律和CV律的折中，实际采用的最多 随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例 器件尺寸将缩小?倍，而电源电压则只变为原来的?/?倍 其中VDS1为y1点电位或0~y1间电压V(y1)——沟道压降 根据电流连续原理，在y1处两电流相等，可解出VDS1 0 y y1 L 可见，漏端速度饱和时，漏极电流与VDS无关而达到饱和 但此电流饱和仅由速度饱和引起，沟道并未夹断，故 且此时漏极电流不再反比于沟道长度 L 速度饱和时的跨导： 速度饱和时 故gmVgms，且gmV随L的缩短而下降 *另一种讨论方法是考虑迁移率调制效应，象JFET那样 §7.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应 二、漏特性及跨导的变化 可见，当L很短时，漏端载流子速度饱和，漏电流饱和，跨导gmV也变成与VDS、VGS、L均无关的饱和值 L再减小，可能出现沟道穿通。 §7.9 MOSFET短沟道和窄沟道效应 二、漏特性及跨导的变化 包含六种效应的组合模型的计算结果和实测值，包括： ①短沟道效应 ②窄沟道效应 ③速度饱和效应 ④VDS对阈值电压的影响 ⑤有效迁移率与垂直电场的相关性 ⑥饱和区的沟道长度调制效应 图7-57 模型计算值与实测值的比较 三、短沟道对亚阈值漏极电流的影响 根据对MOSFET亚阈值区电流的讨论和分析，当VDS3kT/q时，长沟器件的亚阈值电流应与VDS无关，而随栅压增加呈指数上升。 图中： L=7mm时，VDS影响已存在，但不明显 L=3mm时，亚阈值区两VDS差别明显，亚阈值IDS明显增大 L=1.5mm时，沟道不能夹断，VGS难以控制IDS，丧失长沟特性 总之，短沟道效应使亚阈值电流增大，漏极电流随栅压变化减小（跨导减小），且漏极电流一直随漏极电压