半導(dǎo)體器件物理21

1、 5.3 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的直流電流電壓特性場(chǎng)效應(yīng)晶體管的直流電流電壓特性為了討論方便，先作以下幾個(gè)假設(shè)：為了討論方便，先作以下幾個(gè)假設(shè)： 忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻； 溝道內(nèi)摻雜均勻；溝道內(nèi)摻雜均勻； 載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)； 長(zhǎng)溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)長(zhǎng)溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)是互相獨(dú)立的。是互相獨(dú)立的。 在溝道區(qū)不存在復(fù)合產(chǎn)生電流。在溝道區(qū)不存在復(fù)合產(chǎn)生電流。1線性區(qū)的電流電壓特性線性區(qū)的電流電壓特性N 溝增強(qiáng)型溝增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲

2、線如圖所示，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線如圖所示，圖中的電流電壓特性可以用夾斷條件作為界限劃分為線性圖中的電流電壓特性可以用夾斷條件作為界限劃分為線性區(qū)和飽和區(qū)。區(qū)和飽和區(qū)。下圖是下圖是 N 溝道溝道 MOS 管的示意圖，晶體管處于柵電壓大于閾值管的示意圖，晶體管處于柵電壓大于閾值電壓（電壓（ ），為簡(jiǎn)化分析，使襯底和源接地。），為簡(jiǎn)化分析，使襯底和源接地。VVTHGVyVVCyQTHG0n)()( 由于溝道內(nèi)載流子分布均勻，不存在濃度梯度，因此溝道電流由于溝道內(nèi)載流子分布均勻，不存在濃度梯度，因此溝道電流只含電場(chǎng)作用的漂移項(xiàng)，漂移電流為電子電流，則有只含電場(chǎng)作用的漂移項(xiàng)，漂移電流為電子電流，則

3、有yyVQZEyQZIyd)(d)(nnnnD設(shè)溝道中設(shè)溝道中 處的電位為處的電位為 ， 處反型層單位面積電子電荷處反型層單位面積電子電荷為為 ，則，則)(yV)(nyQyy將將 式代入上式可得：式代入上式可得：)(d)(dTHG0nDyVyVVVCZyI 將將 式積分，有：式積分，有：VLyVyVVVCZdyID0THG0n0D)(d)(上式上式 就是線性工作區(qū)的直流特性方程（稱為薩支唐方就是線性工作區(qū)的直流特性方程（稱為薩支唐方程），顯然，程），顯然， 很小時(shí)，很小時(shí)， 項(xiàng)可忽略，因此項(xiàng)可忽略，因此 與與 成成線性關(guān)系。線性關(guān)系。 增大時(shí)，增大時(shí)， 上升變慢，特性曲線開(kāi)始向下彎上升變慢，特

4、性曲線開(kāi)始向下彎曲。曲。 VD2/2DVVDIDVDID22DDTHGn0DVVVVLZCI 2飽和區(qū)的電流電壓特性飽和區(qū)的電流電壓特性VVVTHGDsat將上式代入薩支唐方程（將上式代入薩支唐方程（ 式），便可得到進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的式），便可得到進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的漏極飽和電流漏極飽和電流IDsatVVLZCITHG2n0Dsat2若增加漏極電壓若增加漏極電壓 至溝道夾斷時(shí)，器件的工作進(jìn)入飽和區(qū)。至溝道夾斷時(shí)，器件的工作進(jìn)入飽和區(qū)。使使 MOS 管進(jìn)入飽和工作區(qū)所加的漏極電壓為管進(jìn)入飽和工作區(qū)所加的漏極電壓為 ，則有，則有VDsatVD如果如果 MOS 管進(jìn)入飽和工作區(qū)后，繼續(xù)增加管進(jìn)入飽和工作區(qū)后，

5、繼續(xù)增加 ，則溝道夾斷，則溝道夾斷點(diǎn)向源端方向移動(dòng)，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的寬度點(diǎn)向源端方向移動(dòng)，在漏端將出現(xiàn)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的寬度 隨隨著著 的增大而不斷變大，如圖所示。的增大而不斷變大，如圖所示。VDxdVD通過(guò)單邊突變結(jié)的公式得到通過(guò)單邊突變結(jié)的公式得到NqVVVLLxaTHGD0rsd)(2進(jìn)入飽和區(qū)后的漏極電流為進(jìn)入飽和區(qū)后的漏極電流為IDsatNqVVVLILVVLZCIaTHGD0rsDsatTHG2n0Dsat)(22上式表明，當(dāng)上式表明，當(dāng) 增大時(shí)，分母減小，增大時(shí)，分母減小， 將隨之增加。漏極飽將隨之增加。漏極飽和電流隨著溝道長(zhǎng)度的減小而增大的效應(yīng)稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)變效和電流

6、隨著溝道長(zhǎng)度的減小而增大的效應(yīng)稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)會(huì)使應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)會(huì)使 MOS 管的輸出特性曲線向上發(fā)生傾斜，導(dǎo)管的輸出特性曲線向上發(fā)生傾斜，導(dǎo)致它的輸出阻抗降低。致它的輸出阻抗降低。 VDIDsat3亞閾值區(qū)的電流電壓特性亞閾值區(qū)的電流電壓特性當(dāng)當(dāng) 時(shí)，半導(dǎo)體表面處于弱反型狀態(tài)，流過(guò)漏極的電時(shí)，半導(dǎo)體表面處于弱反型狀態(tài)，流過(guò)漏極的電流并不等于零，這時(shí)流并不等于零，這時(shí) MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作狀態(tài)處于亞場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作狀態(tài)處于亞閾值區(qū)，流過(guò)溝道的電流稱為亞閾值電流。對(duì)于在低壓、低閾值區(qū)，流過(guò)溝道的電流稱為亞閾值電流。對(duì)于在低壓、低功耗下工作的功耗下工作的 MOS 管來(lái)說(shuō)，亞閾值

7、區(qū)是很重要的，例如，管來(lái)說(shuō)，亞閾值區(qū)是很重要的，例如，當(dāng)當(dāng)MOS 管在數(shù)字邏輯及儲(chǔ)存器中用做開(kāi)關(guān)時(shí)，就是這種情況。管在數(shù)字邏輯及儲(chǔ)存器中用做開(kāi)關(guān)時(shí)，就是這種情況。VVTHG對(duì)于長(zhǎng)溝道對(duì)于長(zhǎng)溝道 MOS 管，在弱反型時(shí)表面勢(shì)可近似看作常數(shù)，因管，在弱反型時(shí)表面勢(shì)可近似看作常數(shù)，因此可將溝道方向的電場(chǎng)強(qiáng)度視為零，這時(shí)漏源電流此可將溝道方向的電場(chǎng)強(qiáng)度視為零，這時(shí)漏源電流 主要是主要是擴(kuò)散電流，即：擴(kuò)散電流，即：ID 為通過(guò)電流的溝道截面積；為通過(guò)電流的溝道截面積； 為電子的擴(kuò)散系數(shù)為電子的擴(kuò)散系數(shù)ADnyynDqAId)(dnD 在平衡時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)生和復(fù)合，根據(jù)電流連續(xù)性要求，電子濃度在平衡時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)

8、生和復(fù)合，根據(jù)電流連續(xù)性要求，電子濃度是隨距離線性變化的，即是隨距離線性變化的，即將將 式代入式代入 式上式，可得式上式，可得LLnnDqAI)()0(nD yLLnnnyn)()0()0()( 又電子在又電子在 和和 處的濃度處的濃度 和和 分別為分別為0 xLx )0(n)(LnTkqnnBfSi)(exp)0(TkVqnLnBDfSi)(exp)( 將將 式代入式代入 式可得式可得:TkqTkVqTkqLnDqAIBSBDBfinDexpexp1expTkVVqIBTHGD)(exp為了將亞閾值區(qū)電流減小到可以忽略不計(jì)，必須將為了將亞閾值區(qū)電流減小到可以忽略不計(jì)，必須將 MOS 管管偏置

9、在比偏置在比 低低 0.5 V 或更低的電壓值下。或更低的電壓值下。 VTH上式可以看出，上式可以看出，MOS 管在壓閾值區(qū)漏源電流管在壓閾值區(qū)漏源電流 隨著隨著 指數(shù)指數(shù)變化。又因?yàn)楸砻鎰?shì)變化。又因?yàn)楸砻鎰?shì) ，因此當(dāng)，因此當(dāng) 時(shí)，時(shí)，漏電流將指數(shù)地減小漏電流將指數(shù)地減小VDVVTHGSVVTHGID4轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性漏源電流漏源電流 隨柵壓隨柵壓 變化的曲線稱為變化的曲線稱為 MOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲管的轉(zhuǎn)移特性曲線，線，N 溝溝 MOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示。轉(zhuǎn)移特性說(shuō)明柵管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示。轉(zhuǎn)移特性說(shuō)明柵壓壓 對(duì)漏源電流對(duì)漏源電流 控制作用的強(qiáng)弱。當(dāng)控制作用的強(qiáng)弱。當(dāng) 時(shí)，隨著時(shí)，隨著 的增加，溝道中導(dǎo)電載流子數(shù)量增多，溝道電阻減小，因的增加，溝道中導(dǎo)電載流子數(shù)量增多，溝道電阻減小，因而在一定的而在一定的 作用下，作用下，漏極電流上升。漏極電流上升。 后，后，MOS 管進(jìn)入亞閾值管進(jìn)入亞閾值區(qū)工作，漏極電流很小。區(qū)工作，漏極電流很小。IDVGVGIDVVTHGVGVDVVTHG5MOS 管的擊穿管的擊穿當(dāng)漏源電壓當(dāng)漏源電壓 增高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏源電流突然增大的情況，增高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)漏源電流突然增大的情況，這時(shí)器件進(jìn)入了擊穿區(qū)。擊穿時(shí)所