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迁移率的退化(续) 2) 迁移率?的退化的第二个原因:还有电场强度 通常,电场强度E增加时,?是减小的。然而,电场E有水平分量和垂直分量,因而?将随Ev,Eh而退化。 通常,?可以表示为, ? = ?0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd) 其中,?0(T)是温度的函数, ?0(T) = kT ?M 于是, 在半导体Si内,M=1.5,这是Spice中所用的参数。但在反型层内(NMOS管),M=2,所以,一般认为,M值是处在1.5?2之间。?0的典型值为,N沟道MOS管,?0=600cm2/V?S;P沟道MOS管,?0=250cm2/V?S。式中fv是垂直电场的退化函数;fh是水平电场的退化函数。 * 迁移率的退化(续) 水平电场对?的影响,比垂直电场大得多。因为水平电场将加速载流子运动。当载流子速度被加速到一个大的数值,水平速度会饱和。一般来讲,N型Si的?0远大于P型Si的?0。然而,这两种载流子的饱和速度是相同的。 对于一个高性能器件来说,载流子是以最高速度,即饱和速度通过沟道的。这时,P沟道管子的性能与N沟道管子差不多相等。这并不是P型器件得到改进,而是N型器件有所退化。 * Vc是临界电压,Vc=?ctox,?c是临界电场,?c=2?105 V/cm 。垂直?值退化大约为25%?50%。 迁移率的退化(续) 经过长期研究,已经确定,在电场不强时,N沟道的?确实比P沟道的?大得多,约2.5倍。但当电场增强时,这个差距就缩小,当电场强到一定程度,N管与P管达到同一饱和速度,得到同一个?值。它与掺杂几乎无关。 * 5.7.3 沟道长度调制 * 简化的MOS原理中,认为饱和后,电流不再增加。事实上,饱和区中,当Vds增加时,Ids仍然增加的。 这是因为沟道两端的耗尽区的宽度增加了,而反型层上的饱和电压不变,沟道距离减小了,于是沟道中水平电场增强了,增加了电流。故器件的有效沟道长度为 L = L?? 漏极区的耗尽区的宽度 Vds?VDsat?是耗尽区上的电压 如果衬底掺杂高,那么这种调制效应就减小了 5.7.4 短沟道效应引起门限电压变化 迄今,我们对MOS管的分析全是一维的。无论是垂直方向,还是水平方向,都是一维计算的。我们隐含地假定,所有的电场效应都是正交的。然而,这种假定在沟道区的边沿上是不成立的。因为沟道很短,很窄,边沿效应对器件特性有重大影响。(最重要的短沟道效应是VT的减小。) 加在栅极上的正电压首先是用来赶走P型衬底中的多数载流子——空穴,使栅极下面的区域形成耗尽层,从而降低了Si表面的电位。当这个电位低到P型衬底的费米能级时,半导体出现中性。这时,电子浓度和空穴浓度相等。若再增加栅极电压,就形成反型层。 * 短沟道效应引起门限电压变化(续) * 栅极感应所生成的耗尽区,与源、漏耗尽区是连接在一起的。显然,有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感应与扩散平衡共同形成的。差不多一半由感应产生,另一半由扩散形成。这样,栅极电压只要稍加一点,就可以在栅极下面形成耗尽区, QB‘ = QB?QL 故门限电压VT必然降低。 短沟道效应引起门限电压变化(续) * 对于长沟道MOS管,影响不大。但是当沟道长度L5?后,VT降低极其明显,如图所示。 5.7.5 狭沟道引起的门限电压VT的变化 * 如果沟道太窄,即W太小,那么栅极的边缘电场会引起Si衬底中的电离化,产生了附加的耗尽区,增加门限电压。 由此可见,短沟道、狭沟道效应,对于工艺控制是比较敏感的。 本章练习 写出MOSFET的基本电流方程。 MOSFET的饱和电流取决于哪些参数? 什么是MOSFET的阈值电压?它受哪些因素的影响? 说明L、W对MOSFET的速度、功耗、驱动能力的影响。 说明MOSFET噪声的来源、成因及减小的方法。 * * * 非饱和区,随着VDS增大,沟道电场加强,电流增大,但是,当VDS增大到一定程度,沟道出现夹断,再增加VDS,虽然加速载流子运动,夹断区也加大,电流不能有效增加。 * 5.2 MOSFET的阈值电压VT 阈值电压是MOS器件的一个重要参数。按MOS沟道随栅压正向和负向增加而形成或消失的机理,存在着两种类型的MOS器件: 耗尽型(Depletion):沟道在Vgs=0时已经存在。当Vgs“负”到一定程度时截止。一般情况,这类器件用作负载。 增强型(Enhancement):在正常情况下它是截止的,只有当Vgs“正”到一定程度,才会导通,故用作开关。 * * 概念上讲, VT就是将栅极下面的Si表面从P型Si变为N型Si所必要的电压。 它由两个分量组成, 即: VT= Us+ Vox U
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