MOS器件的重要特性-15個為什么？解讀

1、MOS器件的重要特性一一15個為什么？（一）2011-11-2412:35:381分類：微電子器件I標簽：I字號大中小訂閱XieMeng-xian.（電子科大，成都市）（1）為什么E-MOSFET的閾值電壓隨著半導體襯底摻雜濃度的提高而增大？而隨著溫度的升高而下降？【答】E-MOSFET的閾值電壓就是使半導體表面產(chǎn)生反型層（導電溝道）所需要加的柵極電壓。對于n溝道E-MOSFET，當柵電壓使得p型半導體表面能帶向下彎曲到表面勢ys2VB時，即可認為半導體表面強反型，因為這時反型層中的少數(shù)載流子（電子）濃度就等于體內(nèi)的多數(shù)載流子濃度（摻雜濃度）；這里的屮B是半導體Fermi勢，即半導體禁帶中央與

2、Fermi能級之差。閾值電壓VT包含有三個部分的電壓（不考慮襯偏電壓時）：柵氧化層上的電壓降Vox；半導體表面附近的電壓降2屮B：抵消MOS系統(tǒng)中各種電荷影響的電壓降平帶電壓VF。因為=位巧訶應代/肖總=2-（、2In所以k.TIn在閾值電壓的表示式中，與摻雜濃度和溫度有關的因素主要是半導體Fermi勢屮B。當p型半導體襯底的摻雜濃度NA提高時，半導體Fermi能級趨向于價帶頂變化，則半導體Fermi勢屮B增大，從而就使得更加難以達到屮s2屮B的反型層產(chǎn)生條件，所以閾值電壓增大。當溫度T升高時，半導體Fermi能級將趨向于禁帶中央變化，則半導體Fermi勢屮B減小，從而導致更加容易達到屮s2屮

3、B的反型層產(chǎn)生條件，所以閾值電壓降低。（2）為什么E-MOSFET的源-漏電流在溝道夾斷之后變得更大、并且是飽和的（即與源-漏電壓無關）？【答】E-MOSFET的溝道夾斷是指柵極電壓大于閾值電壓、出現(xiàn)了溝道之后，源-漏電壓使得溝道在漏極端夾斷的一種狀態(tài)。實際上，溝道在一端夾斷并不等于完全沒有溝道。當柵電壓小于閾值電壓時，則完全沒有溝道，這是不導電的狀態(tài)一截止狀態(tài)。而溝道的夾斷區(qū)由于是耗盡區(qū)，增加的源-漏電壓也主要是降落在夾斷區(qū)，則夾斷區(qū)中存在很強的電場,只要有載流子到達夾斷區(qū)的邊緣，即可被電場拉過、從漏極輸出，因此夾斷區(qū)不但不阻止載流子通過，而相反地卻能夠很好地導電，所以有溝道、并且溝道在一端

4、夾斷的狀態(tài)，是一種很好的導電狀態(tài)，則溝道夾斷之后的輸出源-漏電流最大。E-MOSFET的溝道在漏極端夾斷以后，由于夾斷區(qū)基本上是耗盡區(qū)，則再進一步增加的源-漏電壓，即將主要是降落在夾斷區(qū)，這就使得未被夾斷的溝道一剩余溝道的長度基本上保持不變；而在溝道夾斷之后的源-漏電流主要是決定于剩余溝道的長度，所以這時的源-漏電流也就基本上不隨源-漏電壓而變化輸出電流飽和。為什么短溝道E-MOSFET的飽和源-漏電流并不完全飽和？對于短溝道MOSFET，引起輸出源-漏電流飽和的原因基本上有兩種：一種是溝道夾斷所導致的電流飽和；另一種是速度飽和所導致的電流飽和。對于溝道夾斷的飽和，因為夾斷區(qū)的長度會隨著其上電

5、壓的增大而有所增大，則使得剩余溝道的長度也將隨著源-漏電壓而減短，從而就會引起源-漏電流相應地隨著源-漏電壓而有所增大輸出電流不完全飽和。不過，這種電流不飽的程度與溝道長度有關：對于長溝道MOSFET，這種夾斷區(qū)長度隨源-漏電壓的變化量，相對于整個溝道長度而言，可以忽略，所以這時溝道夾斷之后的源-漏電流近似為“飽和”的；但是對于短溝道MOSFET，這種夾斷區(qū)長度隨源-漏電壓的變化量，相對于整個溝道長度而言，不能忽略，所以溝道夾斷之后的源-漏電流將會明顯地隨著源-漏電壓的增大而增加一一不飽和。對于速度飽和所引起的電流飽和情況，一般說來，當電場很強、載流子速度飽和之后，再進一步增大源-漏電壓，也不

6、會使電流增大。因此，這時的飽和電流原則上是與源漏電壓無關的。對于短溝道MOSFET，還有一個導致電流不飽和的重要原因，即所謂DIBL(漏極感應源端勢壘降低)效應。因為源區(qū)與溝道之間總是存在一個高低結所造成的勢壘，當源-漏電壓越高，就將使得該勢壘越低，則通過溝道的源-漏電流越大，因此輸出電流不會飽和?？傊?，導致短溝道MOSFET電流不飽和的因素主要有溝道長度調(diào)制效應和DIBL效應。為什么E-MOSFET的飽和源-漏電流與飽和電壓之間具有平方的關系？【答】增強型MOSFET(E-MOSFET)的飽和源-漏電流表示式為也=見気仔%-耳丫沉%-疔飽和電壓(VGS-VT)就是溝道夾斷時的源-漏電壓。在M

7、OSFET的轉(zhuǎn)移特性(IDsatVGS)曲線上，E-MOSFET的飽和源-漏電流IDsat與飽和電壓(VGS-VT)的關系即呈現(xiàn)為拋物線。導致出現(xiàn)這種平方關系的原因有二：溝道寬度越大，飽和源-漏電流越大，飽和電壓也就越高；電流飽和就對應于溝道夾斷，而夾斷區(qū)即為耗盡層，其寬度與電壓之間存在著平方根的關系，這就導致以上的平方結果。正因為MOSFET具有如此平方的電流-電壓關系，所以常稱其為平方率器件。為什么一般MOSFET的飽和源-漏電流具有負的溫度系數(shù)？【答】MOSFET的飽和源-漏電流可表示為在此關系中，因為材料參數(shù)和器件結構參數(shù)均與溫度的關系不大，則與溫度有關的因素主要有二：閾值電壓VT和載

8、流子遷移率凹。由于MOSFET的閾值電壓VT具有負的溫度系數(shù)，所以，隨著溫度的升高，就使得MOSFET的輸出飽和源-漏電流隨之增大，即導致電流具有正的溫度系數(shù)。而載流子遷移率凹，在室溫附近一般將隨著溫度的升高而下降(主要是晶格振動散射起作用)：式中To=300K,m=1.52.0。遷移率的這種溫度特性即導致MOSFET的增益因子也具有負的溫度系數(shù)。從而，隨著溫度的升高，遷移率的下降就會導致MOSFET的輸出源-漏電流減小，即電流具有負的溫度系數(shù)。綜合以上閾值電壓和載流子遷移率這兩種因素的不同影響，則根據(jù)MOSFET飽和電流的表示式即可得知：當飽和電壓(VGS-VT)較大(即VGSVT)時，閾值

9、電壓溫度關系的影響可以忽略,則輸出源-漏電流的溫度特性將主要決定于載流子遷移率的溫度關系，即具有負的溫度系數(shù)(溫度升高，IDS下降)；當飽和電壓(VGS-VT)較小(即VGSVT)時，則輸出源-漏電流的溫度特性將主要決定于閾值電壓的溫度關系，從而具有正的溫度系數(shù)(溫度升高，IDS也增大)。而對于一般的MOSFET，為了獲得較大的跨導，往往把飽和電壓(VGS-VT)選取得較大，因此可以不考慮閾值電壓的影響，于是飽和源-漏電流通常都具有負的溫度系數(shù)。也因此，一般的MOSFET都具有一定的自我保護的功能，則可以把多個管芯直接并聯(lián)起來，也不會出現(xiàn)因電流分配不均勻而引起的失效；利用這種并聯(lián)管芯的辦法即可

10、方便地達到增大器件輸出電流的目的(實際上，功率MOSFET就是采用這種措施來實現(xiàn)大電流的)。為什么MOSFET的飽和區(qū)跨導大于線性區(qū)的跨導？【答】飽和區(qū)與線性區(qū)都是出現(xiàn)了溝道的狀態(tài)，但是它們的根本差別就在于溝道是否被夾斷。電壓對溝道寬度的影響是：柵極電壓將使溝道寬度均勻地發(fā)生變化，源-漏電壓將使溝道寬度不均勻地發(fā)生變化(則會導致溝道首先在漏極端夾斷)。在線性區(qū)時，由于源-漏電壓較低，則整個溝道的寬度從頭到尾變化不大，這時柵極電壓控制溝道導電的能力相對地較差一些，于是跨導較小。同時，隨著源-漏電壓的增大，溝道寬度的變化增大，使得漏端處的溝道寬度變小，則柵極電壓控制溝道導電的能力增強，跨導增大。而

11、在飽和區(qū)時，源-漏電壓較高，溝道夾斷，即在漏極端處的溝道寬度為，于是柵極電壓控制溝道導電的能力很強(微小的柵極電壓即可控制溝道的導通與截止)，所以這時的跨導很大。因此，飽和區(qū)跨導大于線性區(qū)跨導?？梢?，溝道越是接近夾斷，柵極的控制能力就越強，則跨導也就越大；溝道完全夾斷后，電流飽和，則跨導達到最大飽和跨導。為什么MOSFET的飽和跨導一般與飽和電壓成正比？但為什么有時又與飽和電壓成反比？【答】在源-漏電壓VDS定時：由E-MOSFET的飽和電流IDsat對柵電壓的微分，即可得到飽和跨導gmsat與飽和電壓(VGS-VT)成正比：這種正比關系的得來，是由于飽和電壓越高，就意味著溝道越不容易夾斷，則

12、導電溝道厚度必然較大，因此在同樣柵極電壓下的輸出源-漏電流就越大，從而跨導也就越大。在飽和電流IDsat一定時：飽和跨導gmsat卻與飽和電壓(VGS-VT)成反比：這是由于飽和電壓越高，就意味著溝道越難以夾斷，則柵極的控制能力就越小，即跨導越小。總之，在源-漏電壓一定時，飽和跨導與飽和電壓成正比，而在源漏電流一定時，飽和跨導與飽和電壓成反比。這種相反的比例關系，在其他場合也存在著，例如功耗P與電阻R的關系：當電流一定時，功耗與電阻成正比（P=IV=I2R）；當電壓一定時，功耗與電阻成反比（P=IV=V2/R）。（8）為什么MOSFET的線性區(qū)源-漏電導等于飽和區(qū)的跨導（柵極跨導）？【答】MO

13、SFET的線性區(qū)源-漏電導gdlin和飽和區(qū)的柵極跨導gmsat,都是表征電壓對溝道導電、即對源-漏電流控制能力大小的性能參數(shù)。在線性區(qū)時，溝道未夾斷，但源-漏電壓將使溝道寬度不均勻；這時源-漏電壓的變化，源-漏電導gdlin即表征著在溝道未夾斷情況下、源-漏電壓對源-漏電流的控制能力，這種控制就是通過溝道寬度發(fā)生不均勻變化而起作用的。而飽和區(qū)的柵極跨導一一飽和跨導gmsat是表征著在溝道夾斷情況下、柵-源電壓對源-漏電流的控制能力，這時剩余溝道的寬度已經(jīng)是不均勻的，則這種控制也相當于是通過溝道寬度發(fā)生不均勻變化而起作用的，因此這時的柵極跨導就等效于線性區(qū)源-漏電導：（9）為什么在E-MOSF

14、ET的柵-漏轉(zhuǎn)移特性上，隨著柵-源電壓的增大，首先出現(xiàn)的是飽和區(qū)電流、然后才是線性區(qū)電流？【答】E-MOSFET的柵-漏轉(zhuǎn)移特性如圖1所示。在柵-源電壓VGS小于閾值電壓VT時,器件截止（沒有溝道），源-漏電流電流很?。ǚQ為亞閾電流）。圉1MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和跨導特性在VGSVT時，出現(xiàn)溝道，但如果源-漏電壓VDS=0,則不會產(chǎn)生電流;只有在VGSVT和VDS0時，才會產(chǎn)生電流，這時必然有VDS（VGS-VT），因此MOSFET處于溝道夾斷的飽和狀態(tài)，于是源-漏電流隨柵-源電壓而平方地上升。相應地，飽和跨導隨柵-源電壓而線性地增大，這是由于飽和跨導與飽和電壓（VGS-VT）成正比的緣故。而

15、當柵-源電壓進一步增大，使得VDSv（VGS-VT）時，貝9MOSFET又將轉(zhuǎn)變?yōu)闇系牢磰A斷的線性工作狀態(tài)，于是源-漏電流隨柵-源電壓而線性地增大。這時，跨導不再變化（與柵電壓無關）。MOS器件的重要特性一一15個為什么？（二）2011-11-2412:49:441分類：微電子器件丨標簽：I字號大中小訂閱XieMeng-xian.(電子科大，成都市)(10)為什么MOSFET的電流放大系數(shù)截止頻率fT與跨導gm成正比？【答】MOSFET的fT就是輸出電流隨著頻率的升高而下降到等于輸入電流時的頻率。器件的跨導gm越大，輸出的電流就越大，則輸出電流隨頻率的下降也就越慢，從而截止頻率就越大，即fT與

16、gm有正比關系：27T%4打I?由于fT與gm的正比關系，就使得fT與飽和電壓(VGS-VT)也有正比關系，從而高頻率就要求較大的飽和電壓。(11)為什么提高MOSFET的頻率與提高增益之間存在著矛盾？【答】MOSFET的高頻率要求它具有較大的跨導，而在源-漏電壓一定的情況下，較大的跨導又要求它具有較大的飽和電壓(VGS-VT)，所以高頻率也就要求有較大的飽和電壓。因為MOSFET的電壓增益是在源-漏電流一定的情況下、輸出電壓VDS對柵-源電壓VGS的微分，則飽和狀態(tài)的電壓增益Kvsat將要求器件具有較小的飽和電壓(VGS-VT)：這是由于在IDsat一定時，飽和電壓越低，飽和跨導就越大，故K

17、vsat也就越大?？梢姡岣哳l率與增大電壓增益，在對于器件飽和電壓的要求上存在著矛盾。因此，在工作電流IDsat一定時，為了提高電壓增益，就應該減小(VGS-VT)和增大溝道長度L。這種考慮對于高增益MOSFET具有重要的意義；但是這種減小(VGS-VT)的考慮卻對于提高截止頻率不利。(12)為什么E-MOSFET的柵-源短接而構成的MOS二極管存在著“閾值損失”？【答】這種集成MOS二極管的連接方式及其伏安特性如圖2所示。因為柵極與漏極短接，則VGS=VDS。因此，當電壓較小(VGS=VDSvVT)時，不會出現(xiàn)溝道，則器件處于截止狀態(tài)，輸出電流IDS=0；當電壓高于閾值電壓(VGS=VDSV

18、T)時，因為總滿足VDS(VGS-VT)關系，于是出現(xiàn)了溝道、但總是被夾斷的，所以器件處于飽和狀態(tài)，輸出源-漏電流最大、并且飽和，為恒流源。0閣2E型一船-漏掠蓿的二根管由于VGS=VDS，所以這種二極管的輸出伏安特性將與轉(zhuǎn)移特性完全一致。因為MOSFET的飽和輸出電流IDsat與飽和電壓(VGSVT)之間有平方關系，所以該二極管在VGS=VDSVT時的輸出伏安特性為拋物線關系，并且這也就是其轉(zhuǎn)移特性的關系。所謂閾值損失，例如在門電路中，是輸出高電平要比電源電壓低一個閾值電壓大小的一種現(xiàn)象。由E型,柵-漏短接的MOS二極管的伏安特性可以見到，當其輸出源-漏電流IDS降低到0時，其源-漏電壓VD

19、S也相應地降低到VT。這就意味著，這種二極管的輸出電壓最低只能下降到VT，而不能降低到0。這種“有電壓、而沒有電流”的性質(zhì)，對于用作為有源負載的這種集成MOS二極管而言，就必將會造成閾值損失。（13）為什么在MOSFET中存在有BJT的作用？這種作用有何危害？【答】對于常規(guī)的MOSFET:如圖3（a）所示，源區(qū)、漏區(qū)和p襯底即構成了一個npn寄生晶體管。當溝道中的電場較強時，在夾斷區(qū)附近的電子即將獲得很大的能量而成為熱電子，然后這些熱電子通過與價電子的碰撞、電離，就會形成一股流向襯底的空穴電流Ib；該過襯底電流就是寄生晶體管的基極電流，在熱電子效應較嚴重、襯底電流較大時，即可使寄生晶體管導通，

20、從而破壞了MOSFET的性能。這種熱電子效應的不良影響往往是較短溝道MOSFET的一種重要失效機理。對于CMOS器件：在CMOS器件的芯片中，存在著npnp的四層結構晶閘管。當其中的BJT因為熱電子效應而導通時，即可發(fā)生所謂“閂鎖效應”、而導致器件失效。3MOSFET中的寄生EJT效應對于VDMOSFET:觀察圖3（b）中的結構，即可見到，當器件正向?qū)〞r，其中存在一個工作于放大狀態(tài)的寄生n-p-n晶體管（n+源區(qū)是發(fā)射區(qū)，n-外延層是集電區(qū)，p溝道是基區(qū)）。該寄生晶體管的可能導電通道是與MOSFET的ID相并聯(lián)的，故在VDMOSFET工作時，必須要注意防止寄生晶體管導通；否則，寄生晶體管的導

21、通就可能引起二次擊穿,使得功率MOSFET完全失去功能。為了避免VDMOSFET在正向工作時、其中寄生n-p-n晶體管的導通，可以設法使寄生晶體管的電流放大系數(shù)變得很小、甚至減至為0采用“陰極短路技術”，即把寄生晶體管的發(fā)射極與基極短接起來，工藝上就通過把發(fā)射區(qū)（源極區(qū)）的金屬電極延伸到溝道體區(qū)的表面上來實現(xiàn)。因為這種陰極短路結構截斷了發(fā)射極注入載流子的功能，所以能夠防止寄生晶體管的導通。對于VDMOSFET，在采用了陰極短路結構之后，實際上又恰恰在器件內(nèi)部形成了一個p-n-n+二極管，這個二極管與VDMOSFET是反向并聯(lián)的，這也就順便地在VDMOSFET中設置了一個阻尼二極管（續(xù)流二極管）

22、，該二極管對于泄放反向電動勢、防止主體晶體管的擊穿具有重要作用。（14）為什么在VDMOSFET中存在有JFET的作用？有何不良影響？【答】如圖4所示，源-漏電流是從芯片表面向下流動的，并在電流通路的兩側是pn結，因此這種電流輸運的過程，從工作原理上來看，就相當于是一個寄生JFET。從而可以把VDMOSFET等效為一個MOSFET與一個寄生JFET的串聯(lián)組合，其中很大部分n-漂移區(qū)就相當于是寄生JFET的溝道。由于JFET的輸出交流電阻非常大，同時也因為較高的源-漏電壓而具有很大的輸出直流電阻，所以就使得VDMOSFET的導通電阻大大增加，因此n-漂移區(qū)的厚度和摻雜濃度對整個器件性能的影響都較大。為了消除VDMOSFET中寄生JFET的影響，以降低導通電阻，就必須在結構上加以改變，由此發(fā)展出了V形槽柵、U形槽柵和溝槽（Trench）柵等結構的MOSFET。K:LL團4VDMOSFET（15）IGBT和MCT都是MOS柵極控制的功率場效應晶體管，為什么說它們是兩種完全不同的器件？【答】IGBT（絕緣柵雙極型場效應晶體管）和MCT（MOS控制晶閘管）的共同點主要有：都是MOS柵極控制的器件，則具有功率場效應晶體管的優(yōu)點；在結構上，其中都存在著四層、三結的晶閘管結構，因此在一定條件下會出現(xiàn)陽極電流閂鎖效應；它們都可以采用多個元胞并聯(lián)的結