華南理工大學(xué)計(jì)算微電子學(xué)

華南理工大學(xué)計(jì)算微電子學(xué)第1頁(yè)/共94頁(yè)MOSFET是超大規(guī)模集成電路芯片（CPU、RAM等）中最重要的器件.CMOS技術(shù)因其抗噪聲能力強(qiáng)和靜態(tài)功耗低等優(yōu)點(diǎn)已成為VLSI的主流技術(shù).

近些年，薄膜晶體管（TFT）因在顯示技術(shù)、集成傳感器、IC領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景而受到廣泛關(guān)注?！馦OS電路設(shè)計(jì)IC設(shè)計(jì)器件模型電路模擬器（DC、AC及瞬態(tài)分析）

牛牛文庫(kù)文檔分享第2頁(yè)/共94頁(yè)●MOSFET模型

器件模型是通過(guò)I-V,C-V以及器件中載流子輸運(yùn)過(guò)程描述器件的端特性，這些模型應(yīng)能夠反映器件在所有工作區(qū)域的特性.分為物理模型和等效電路模型?！骷锢砟Ｐ透鶕?jù)器件的幾何圖形、摻雜分布、載流子輸運(yùn)方程和材料特性等預(yù)測(cè)器件的端特性和輸運(yùn)特性.特點(diǎn)：1）通常需要二維或三維的數(shù)值計(jì)算；

2）能揭示器件的內(nèi)在物理效應(yīng)；

3）一般只適用于器件物理研究和器件開(kāi)發(fā)；

4）部分工作區(qū)能找到收斂的解析模型，可應(yīng)用于電路模擬器.

牛牛文庫(kù)文檔分享第3頁(yè)/共94頁(yè)▲等效電路模型將器件等效成由一些基本單元組成的電路，器件特性由該等效電路特性來(lái)描述.特點(diǎn)：1）可解析求解；

2）不能揭示器件的內(nèi)在物理效應(yīng)；

3）適合于電路模擬器.

電路模擬器的功能

1）DC模型-----靜態(tài)模型；

2）瞬態(tài)模型-----大信號(hào)動(dòng)態(tài)模型；

3）AC模型-----小信號(hào)模型.▲電路模擬器對(duì)晶體管模型的要求準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單

牛牛文庫(kù)文檔分享第4頁(yè)/共94頁(yè)▲電路模擬器中常用的器件模型1）解析模型----模型方程直接由器件物理導(dǎo)出.

A）薄層電荷模型（基于表面勢(shì)）----該模型在所有工作區(qū)域內(nèi)連續(xù)；可精確計(jì)算；需要迭代求解.B）半經(jīng)驗(yàn)解析模型----根據(jù)主要的物理現(xiàn)象，對(duì)器件的不同工作區(qū)域進(jìn)行近似求解.解析模型的優(yōu)點(diǎn)：

A）描述了物理過(guò)程和幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；

B）描述了器件的電學(xué)特性.2）查表模型----建立器件特性數(shù)據(jù)庫(kù)（系數(shù)表），通過(guò)查表得到新器件的電流和電導(dǎo)值.3）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?---模型方程基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)擬合.

牛牛文庫(kù)文檔分享第5頁(yè)/共94頁(yè)●MOSFET模型參數(shù)提取MOS晶體管模型中的參數(shù)一般通過(guò)測(cè)量大量的不同尺寸（不同溝道長(zhǎng)度和寬度）的實(shí)驗(yàn)器件樣品得到（即從各種不同尺寸MOSFET的I-V和C-V曲線(xiàn)中提取模型參數(shù)）.課程主要內(nèi)容：?

FET基礎(chǔ)知識(shí)回顧?MOSFET主要模型簡(jiǎn)介?OTFT基礎(chǔ)知識(shí)及模型探討?TFT模型參數(shù)提取方案簡(jiǎn)介

牛牛文庫(kù)文檔分享第6頁(yè)/共94頁(yè)課程論文題1、探討TFT器件（非晶硅TFT、ZnO-TFT、P3HT-TFT）閾值電壓的定義、模型及Vth提取方法。2、探討工作于積累態(tài)的TFT的關(guān)態(tài)電流形成機(jī)理和模型。3、探討MIS結(jié)構(gòu)C-V曲線(xiàn)中積累區(qū)電容-頻率依賴(lài)特性及建模。4、探討TFT器件噪聲特性的測(cè)試方法及模型。5、TFT器件中體陷阱態(tài)與界面陷阱態(tài)的形成機(jī)理、對(duì)I-V和C-V的影響機(jī)理以及測(cè)試表征方法。6、TFT的源、漏接觸電阻的形成機(jī)理、表征方法和抑制措施。

牛牛文庫(kù)文檔分享第7頁(yè)/共94頁(yè)非晶硅TFT多晶硅TFT有機(jī)TFT

牛牛文庫(kù)文檔分享第8頁(yè)/共94頁(yè)第一章MOSFET基礎(chǔ)●半導(dǎo)體方程①泊松方程：

②電子與空穴的連續(xù)性方程：

上式中，R=U-G

，U、G

、R

分別為復(fù)合率、產(chǎn)生率和凈復(fù)合率。R>0表示凈復(fù)合，R<0表示凈產(chǎn)生。

牛牛文庫(kù)文檔分享第9頁(yè)/共94頁(yè)③電子與空穴的電流密度方程：

●簡(jiǎn)化半導(dǎo)體方程泊松方程：連續(xù)性方程：電流密度:

牛牛文庫(kù)文檔分享第10頁(yè)/共94頁(yè)●MOSFET結(jié)構(gòu)和工作原理1、MOSFET的基本結(jié)構(gòu)2、MOSFET的工作原理

當(dāng)VGS＜VT（稱(chēng)為閾值電壓）時(shí),源漏之間隔著P區(qū),漏結(jié)反偏,故無(wú)漏極電流.當(dāng)VGS>VT

時(shí),柵下的P型硅表面發(fā)生強(qiáng)反型,形成連通源區(qū)和漏區(qū)的N型溝道,產(chǎn)生漏極電流ID.對(duì)于恒定VDS,VGS越大,則溝道中的可移動(dòng)電子就越多,溝道電阻就越小,ID

就越大.VGS來(lái)控制溝道的導(dǎo)電性,從而控制漏極電流ID,是一種電壓控制型器件.

牛牛文庫(kù)文檔分享第11頁(yè)/共94頁(yè)pnp晶體管載流子輸運(yùn)示意圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第12頁(yè)/共94頁(yè)3、MOSFET的特性

N溝MOSFET當(dāng)：VT>0時(shí),稱(chēng)為增強(qiáng)型,為常關(guān)型.零柵壓時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道.VT<0時(shí),稱(chēng)為耗盡型,為常開(kāi)型.零柵壓時(shí)有導(dǎo)電溝道.IDVGSVT0IDVGSVT0轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

牛牛文庫(kù)文檔分享第13頁(yè)/共94頁(yè)輸出特性曲線(xiàn)①線(xiàn)性區(qū)當(dāng)VDS

很小時(shí)，溝道就象一個(gè)其阻值與VDS

無(wú)關(guān)的固定電阻，這時(shí)ID

與VDS

成線(xiàn)性關(guān)系,如圖中的OA段所示.

②過(guò)渡區(qū)隨著VDS的增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線(xiàn)逐漸下彎.當(dāng)VDS增大到VDsat飽和漏源電壓時(shí)，漏處的可動(dòng)電子消失，這稱(chēng)為溝道被夾斷，如圖中的AB段所示.

牛牛文庫(kù)文檔分享第14頁(yè)/共94頁(yè)③飽和區(qū)當(dāng)VDS

＞VDsat后，溝道夾斷點(diǎn)左移，漏附近只剩下耗盡區(qū).這時(shí)ID

幾乎與VDS無(wú)關(guān)而保持常數(shù)IDsat,曲線(xiàn)為水平直線(xiàn)，如圖中BC段所示.④擊穿區(qū)當(dāng)VDS

繼續(xù)增大到BVDS

時(shí)，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源間發(fā)生穿通,ID

急劇增大，如圖中CD段所示.輸出特性曲線(xiàn)

牛牛文庫(kù)文檔分享第15頁(yè)/共94頁(yè)P(yáng)3HT-TFTwithSiO2asgatedielectricAfter10daysP3HT-TFTwithHfTiOasgatedielectric實(shí)際晶體管特性舉例

牛牛文庫(kù)文檔分享第16頁(yè)/共94頁(yè)P(yáng)3HT-TFTwithSiO2asgatedielectricMEHPPV-TFTwithSiO2asgatedielectric

牛牛文庫(kù)文檔分享第17頁(yè)/共94頁(yè)4、MOS的電容★MOS的基本結(jié)構(gòu)★MOS的能帶結(jié)構(gòu)---功函數(shù)差引起的能帶彎曲（圖4-1）（圖4-3）

牛牛文庫(kù)文檔分享第18頁(yè)/共94頁(yè)★MOS系統(tǒng)中的電荷態(tài)氧化層電荷包括：界面陷阱電荷Qit；固定電荷Qf；氧化層陷阱電荷Qot；可動(dòng)離子電荷Qm.＊*理解氧化層中各種電荷的來(lái)源及對(duì)MOS體系中半導(dǎo)體表面能帶彎曲的影響.平帶電壓：使半導(dǎo)體表面能帶恢復(fù)平坦柵極上所需加偏壓.

牛牛文庫(kù)文檔分享第19頁(yè)/共94頁(yè)★不同柵偏壓下半導(dǎo)體表面狀態(tài)的變化情況當(dāng)Q0=0時(shí)

牛牛文庫(kù)文檔分享第20頁(yè)/共94頁(yè)反型時(shí)的泊松方程：0≤x≤Xd通過(guò)一次積分并利用高斯定理，可得硅中感生電荷密度：耗盡時(shí)的泊松方程：可解得：由Qs=Qi+Qb，可得反型電荷Qi

牛牛文庫(kù)文檔分享第21頁(yè)/共94頁(yè)利用：得到柵壓與表面勢(shì)的關(guān)系：同時(shí)考慮電子和空穴的一般泊松方程：0≤x≤Xd一次積分，并利用邊界條件和高斯定理可得：

牛牛文庫(kù)文檔分享第22頁(yè)/共94頁(yè)p型襯底MOS電容在所有工作區(qū)中硅層感生電荷密度Qs與表面勢(shì)φs的關(guān)系如圖所示：積累區(qū)（φs＜0）：耗盡區(qū)和弱反型區(qū)(0＜φs＜2φf(shuō))：強(qiáng)反型區(qū)(φs>2φf(shuō))：

牛牛文庫(kù)文檔分享第23頁(yè)/共94頁(yè)★MOS結(jié)構(gòu)的電容－電壓關(guān)系定義式：又即：推知：圖4-16MOS電容等效電路

牛牛文庫(kù)文檔分享第24頁(yè)/共94頁(yè)★MIS結(jié)構(gòu)電容器的等效電路推導(dǎo)由高斯定理：可得對(duì)于小信號(hào)，將Qs(t)泰勒展開(kāi)，保留前兩項(xiàng)，可得（1）代入（1）整理得所以

牛牛文庫(kù)文檔分享第25頁(yè)/共94頁(yè)★多數(shù)載流子響應(yīng)時(shí)間在積累狀態(tài)和耗盡狀態(tài)時(shí)，電容來(lái)源于多數(shù)載流子對(duì)交流小信號(hào)的響應(yīng)引起的流入和流出硅耗盡層。當(dāng)外加交流小信號(hào)的周期遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體層的介電遲豫時(shí)間時(shí)多數(shù)載流子能跟隨小信號(hào)的變化而變化。即:這里，★少數(shù)載流子響應(yīng)時(shí)間在反型狀態(tài)下，當(dāng)外加交流小信號(hào)的周期遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子響應(yīng)時(shí)間時(shí)，少數(shù)載流子能跟隨小信號(hào)的變化而變化。即:（少子響應(yīng)時(shí)間）

牛牛文庫(kù)文檔分享第26頁(yè)/共94頁(yè)★少數(shù)載流子響應(yīng)機(jī)理（1）從背接觸通過(guò)擴(kuò)散、漂移產(chǎn)生（高溫）（2）耗盡層中的產(chǎn)生與復(fù)合（室溫）（3）外部反型層提供（反型層不是由柵壓引起）（1）和（2）的溫度點(diǎn)位置決定于半導(dǎo)體中能隙中央位置陷阱能級(jí)密度大小。?擴(kuò)散模式(a)、(b)為少子通過(guò)擴(kuò)散方式流過(guò)MOS電容的能帶圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第27頁(yè)/共94頁(yè)負(fù)半周：反型層空穴漂移至表面而增加，耗盡層的空穴產(chǎn)生濃度梯度，準(zhǔn)中性區(qū)形成空穴向半導(dǎo)體表面擴(kuò)散，中性區(qū)空穴和電子的俘獲減弱（發(fā)射占主導(dǎo)），引起電子從陷阱態(tài)中發(fā)射，進(jìn)入導(dǎo)帶而流出。正半周：反型層表面空穴減少，耗盡層的空穴產(chǎn)生濃度梯度，準(zhǔn)中性區(qū)形成空穴向基底擴(kuò)散，中性區(qū)空穴和電子的俘獲占主導(dǎo)，引起空穴被陷阱態(tài)中俘獲，與導(dǎo)帶注入電子復(fù)合。

牛牛文庫(kù)文檔分享第28頁(yè)/共94頁(yè)?產(chǎn)生與復(fù)合模式耗盡層中的載流子（空穴）在小信號(hào)電場(chǎng)作用下被驅(qū)使至硅表面（耗盡層）耗盡層中載流子(空穴)減少（或過(guò)剩）耗盡層產(chǎn)生占主導(dǎo)（空穴被陷阱俘獲）空穴（或電子）補(bǔ)充其減少，產(chǎn)生的電子通過(guò)底歐姆接觸流出（流入）導(dǎo)帶(以n-Si為例)(c)、(d)為少子通過(guò)產(chǎn)生復(fù)合方式流過(guò)MOS電容的能帶圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第29頁(yè)/共94頁(yè)界面陷阱：在能隙中存在能級(jí)分布。（來(lái)源？）體陷阱：在能隙中存幾個(gè)特定能級(jí)位置。（來(lái)源？）在強(qiáng)反型狀態(tài)下，靠近能隙中央的體陷阱對(duì)產(chǎn)生與復(fù)合起主導(dǎo)作用。通過(guò)陷阱形成有效產(chǎn)生與復(fù)合的條件：（1）陷阱能級(jí)離費(fèi)米能級(jí)幾個(gè)kT/q(陷阱能級(jí)俘獲與發(fā)射隨小信號(hào)變化）。（2）空穴和電子的俘獲與發(fā)射率相同。（能隙中央附近的陷阱）。在強(qiáng)反型狀態(tài)下，界面陷阱通常只滿(mǎn)足兩個(gè)條件中的一個(gè)，難以同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件。注:(1)強(qiáng)反型，產(chǎn)生與復(fù)合電流不隨柵壓變化。

(2)界面陷阱密度＞1010cm-2eV-1,界面陷阱可同時(shí)滿(mǎn)足兩條件。

牛牛文庫(kù)文檔分享第30頁(yè)/共94頁(yè)★電子（空穴）俘獲與發(fā)射導(dǎo)納可以推證：由串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)分析可得：俘獲與發(fā)射形成電子電流可表示為：同理空穴俘獲與發(fā)射形成導(dǎo)納為：由串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)分析可得：

牛牛文庫(kù)文檔分享第31頁(yè)/共94頁(yè)★MIS完整的等效電路

牛牛文庫(kù)文檔分享第32頁(yè)/共94頁(yè)實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)電容C-V曲線(xiàn)：C-VandG-VofAu/P3HT/HfO2/Sicapacitors.(a)annealedinO2,(b)NH3

牛牛文庫(kù)文檔分享第33頁(yè)/共94頁(yè)C-VofAu/P3HT/SiO2/Sicapacitors.

牛牛文庫(kù)文檔分享第34頁(yè)/共94頁(yè)C-VofvariousMISstructuresasafunctionoftestfrequency.(a)Au/SiO2/Sistructure,(b)Au/P3HT/SiO2/Sistructure,(c)Au/HfTiO/Sistructure,(d)Au/P3HT/HfTiO/Sistructure.

牛牛文庫(kù)文檔分享第35頁(yè)/共94頁(yè)5、MIS的C-V測(cè)試的應(yīng)用

采用光照下深耗盡高頻C-V測(cè)試(photonicDDHF-CV)表征界面態(tài)(Ref.IEEET.E.D.50(4):1131,2003)

牛牛文庫(kù)文檔分享第36頁(yè)/共94頁(yè)

牛牛文庫(kù)文檔分享第37頁(yè)/共94頁(yè)

采用低頻C-V測(cè)試表征界面態(tài)Ref.AP.L.,92:1335122008

牛牛文庫(kù)文檔分享第38頁(yè)/共94頁(yè)

采用多頻C-V測(cè)試表征界面態(tài)Ref.IEEEEDL,31(3):231,2010

牛牛文庫(kù)文檔分享第39頁(yè)/共94頁(yè)

牛牛文庫(kù)文檔分享第40頁(yè)/共94頁(yè)1、襯底均勻摻雜的MOSFET的閾值電壓第二章MOSFET閾值電壓模型模型假設(shè):(1)長(zhǎng)溝和寬溝，不考慮邊緣效應(yīng);(2)緩變溝道近似---沿溝道方向的電場(chǎng)遠(yuǎn)小于垂直溝道方向的電場(chǎng);（一維泊松方程有效）(3)溝道表面勢(shì)和電荷沿溝道方向受Vds、Vsb控制;

由Vds和Vsb引起的溝道電勢(shì)Vcb(y)為y=0(源端）y=L(漏端）表面勢(shì)變?yōu)椋害誷+Vcb(y)

牛牛文庫(kù)文檔分享第41頁(yè)/共94頁(yè)在Vds很小時(shí)，φs+Vsb(y)代替φs(y),且Vgb=Vgs+VsbMOSFET三個(gè)工作區(qū)域積累區(qū)耗盡區(qū)反型區(qū)

牛牛文庫(kù)文檔分享第42頁(yè)/共94頁(yè)閾值電壓：當(dāng)硅表面出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)所加的柵偏壓.剛反型時(shí)，Qi<<Qb,所以：φSi為強(qiáng)反型時(shí)的φs（=2φf(shuō)）,強(qiáng)反型時(shí)有：故閾值電壓表示式為：式中Vgs>Vth,φs不隨Vgs變化即φs鎖定。影響Vth的因素？

牛牛文庫(kù)文檔分享第43頁(yè)/共94頁(yè)2、襯底非均勻摻雜的MOSFET的閾值電壓強(qiáng)反型條件判據(jù)：1)-----適于低劑量的溝道注入.2)表面少子濃度等于耗盡區(qū)邊緣多子濃度時(shí)為強(qiáng)反型.3)反型區(qū)電荷密度Qi和耗盡區(qū)電荷密度Qb對(duì)表面勢(shì)φs的微分相等時(shí)為強(qiáng)反型，即：所以，增強(qiáng)型器件Vth

模型

牛牛文庫(kù)文檔分享第44頁(yè)/共94頁(yè)增強(qiáng)型器件淺注入模型：調(diào)閾值電壓的注入深度淺，注入雜質(zhì)位于無(wú)限薄的硅層中，即位于Si-SiO2界面.Di為注入劑量.增強(qiáng)型器件深注入模型1)耗盡層寬度Xdm＜Xi(注入深度）---認(rèn)為表面雜質(zhì)均勻分布.式中2)耗盡層寬度Xdm＞Xi(注入深度）關(guān)鍵是如何表達(dá)Qb?(p.196)

牛牛文庫(kù)文檔分享第45頁(yè)/共94頁(yè)增強(qiáng)型器件摻雜變換模型

背景:(1)Vsb>1V;(2)Xi與Xdm相比擬思路：雜質(zhì)變換將實(shí)際雜質(zhì)分布變換成等效摻雜濃度Neq和深度Xeq。該模型條件：---以尺寸無(wú)關(guān)雜質(zhì)變換（1）溝道區(qū)內(nèi)的總感應(yīng)電荷Qs守恒；（2）表面勢(shì)為常數(shù)。由條件（1）得：由條件（2）得：NbNsXiXeqNeq

牛牛文庫(kù)文檔分享第46頁(yè)/共94頁(yè)補(bǔ)償器件Vth

模型----溝道注入與襯底或阱中雜質(zhì)類(lèi)型相反的雜質(zhì)NNbXNsXiXdm利用耗盡層近似下泊松方程及其邊界條件可得：利用可推知：Vth

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪街蠫11和G12為擬合因子，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得.

牛牛文庫(kù)文檔分享第47頁(yè)/共94頁(yè)耗盡型器件Vth

模型圖5.12n溝耗盡型MOSFET的截面圖(a)和電荷分布圖(b)對(duì)于耗盡型器件，在Vgs＝0時(shí)，溝道是導(dǎo)通的.溝道夾斷時(shí)，在柵極上所加的電壓為閾值電壓Vth.溝道雜質(zhì)階梯分布近似

牛牛文庫(kù)文檔分享第48頁(yè)/共94頁(yè)γd為耗盡型器件的體因子，當(dāng)Ns>>Nb時(shí)，Vth近似為式中式中0

夾斷條件：Qim=Qjn+Qsc；

Xi=Xs+XnXn由pn理論在耗盡近似計(jì)算得到，再計(jì)算出QjnXs為表面耗盡層寬度，由MOSFET電容采用耗盡近似得到，再計(jì)算出Qsc

再利用夾斷時(shí)Vgs=Vth，得到：

牛牛文庫(kù)文檔分享第49頁(yè)/共94頁(yè)短溝道效應(yīng)下的Vth

模型源、漏端pn結(jié)分享溝道區(qū)電荷，使溝道耗盡區(qū)呈梯形。短溝道下，W固定，Vth

隨L減小而減?。籐固定，Vth

隨W減小而增大(不考慮源、漏附近自建電場(chǎng)影響，|Qb|=qNbXdm)電荷分享模型

牛牛文庫(kù)文檔分享第50頁(yè)/共94頁(yè)式中Xj為源襯、漏襯pn結(jié)的結(jié)深.結(jié)論：（1）為了減小溝道效應(yīng)，在ULSI集成電路制造中柵氧化層厚度采用等比例縮小；（2）Nb越低，Xdm越大，短溝道效應(yīng)越大，所以在亞微米器件中，離子注入使襯底表面高摻雜，減小短溝道效應(yīng)。（3）Xj越大，短溝道效應(yīng)越大。（4）采用埋溝工藝抑制電荷分享，減小短溝效應(yīng)。的大小與電荷分享模型相關(guān)。如圖5.14(a)、(c),圖5.15

牛牛文庫(kù)文檔分享第51頁(yè)/共94頁(yè)窄溝道效應(yīng)下的Vth

模型式中GW為過(guò)渡區(qū)擬合參數(shù).

在柵壓作用下場(chǎng)氧化層與柵氧化之間的鳥(niǎo)嘴過(guò)渡區(qū)會(huì)形成柵控耗盡區(qū)（圖5.20所示），當(dāng)溝寬W<<Xdm時(shí)，過(guò)緣處的附加電荷與總耗盡電荷Qb相比不能被忽略，從而引起Vth增加。為場(chǎng)區(qū)的表面電勢(shì)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第52頁(yè)/共94頁(yè)漏致勢(shì)壘降低(DIBL)效應(yīng)下的Vth

模型式中為DIBL因子.----耗盡層寬度沿溝道方向變化.

在短溝和窄溝效應(yīng)中都假設(shè)Vds很小為前提，即沿溝道方向耗盡層寬度不變。但當(dāng)Vds較大時(shí)，Xdm不再是常數(shù)（圖5.24).

在源端，V(y)=0,Xdm最小。Vds使漏-襯結(jié)反偏，漏端耗盡電荷增加，柵控電荷減小，從而導(dǎo)致Vth下降.

當(dāng)L減小、Vds增加時(shí)，漏源耗盡區(qū)越來(lái)越靠近，引起漏到源的電場(chǎng)穿通，使源端勢(shì)壘降低，從源區(qū)注入溝道電子增加，導(dǎo)致Ids增加，稱(chēng)為DIBL效應(yīng)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第53頁(yè)/共94頁(yè)第三章MOSFET直流（DC）模型1、DC漏電流(Ids)的推導(dǎo)幾個(gè)假設(shè)：1）漸變溝道近似，三維泊松方程可簡(jiǎn)化為一維泊松方程.2）只考慮單一載流子輸運(yùn)產(chǎn)生的漏電流.3）忽略溝道內(nèi)載流子的產(chǎn)生與復(fù)合.4）電流只沿平行溝道方向（y方向），溝道任意一點(diǎn)處的電流可表示為溝道任意一點(diǎn)處的電勢(shì)Vcb(y)可表示為所以

牛牛文庫(kù)文檔分享第54頁(yè)/共94頁(yè)5）溝道內(nèi)載流子的遷移率為常數(shù).令可動(dòng)電荷Qi為所以積分可得Pao-Sah模型思路：通過(guò)求解泊松方程得到垂直溝道方向（x方向）電場(chǎng)，利用電荷守恒原理及高斯定理求解表面勢(shì)，將可動(dòng)電荷積分式對(duì)位置積分變換為對(duì)電勢(shì)積分，并利用載流子濃度表示式求解Qi。特點(diǎn)：精確求解、各工作區(qū)連續(xù)、只能數(shù)值求解、不適合電路模擬。

牛牛文庫(kù)文檔分享第55頁(yè)/共94頁(yè)求出關(guān)于的隱函數(shù)方程。

牛牛文庫(kù)文檔分享第56頁(yè)/共94頁(yè)薄層電荷模型假設(shè)：(1)反型層厚度為零(幾個(gè)nm)，反型層上沒(méi)有壓降；

(2)耗盡層中沒(méi)可動(dòng)電荷。根據(jù)耗盡層近似：

牛牛文庫(kù)文檔分享第57頁(yè)/共94頁(yè)增強(qiáng)器件的分段漏電流模型當(dāng)晶體管工作于強(qiáng)反型狀態(tài)(Vgs>Vth)時(shí)，漏電流中擴(kuò)散電流可忽略，只考慮漂移電流。強(qiáng)反型時(shí)所以1.MOSFET的線(xiàn)性區(qū)將上式代入得：假定沿溝道方向Qb是固定的(與Vds無(wú)關(guān))，則有：

牛牛文庫(kù)文檔分享第58頁(yè)/共94頁(yè)所以：即：代入得到：Vds<0.1V溝道電阻：2.MOSFET的飽和區(qū)夾斷電壓：夾斷后的漏電流：(,)(,)

牛牛文庫(kù)文檔分享第59頁(yè)/共94頁(yè)3.MOSFET的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)考慮溝道被夾斷后溝道長(zhǎng)度隨Vds變化，此時(shí)漏電流可表示：(泰勒展開(kāi)一級(jí)近似)ld可由經(jīng)驗(yàn)公式:所以確定溝道長(zhǎng)度調(diào)制因子的方法

牛牛文庫(kù)文檔分享第60頁(yè)/共94頁(yè)MOSFET分段一級(jí)近似模型：0截止區(qū)線(xiàn)性區(qū)飽和區(qū)方程基于以下假設(shè)而建立:

緩變溝道近似；只考慮單一載流子貢獻(xiàn)；忽略復(fù)合和產(chǎn)生；只考慮沿溝道方向電流；載流子遷移率不變；只考慮漂移電流，忽略擴(kuò)散電流；沿溝道方向任一點(diǎn)體電荷Qb不變。

牛牛文庫(kù)文檔分享第61頁(yè)/共94頁(yè)體電荷模型考慮實(shí)際情況，當(dāng)Vds不為0時(shí)，從源到漏耗盡層寬度逐漸增加，即耗盡層體電荷Qb與Vds有關(guān).由得：利用平方根近似簡(jiǎn)化Qb：代入

牛牛文庫(kù)文檔分享第62頁(yè)/共94頁(yè)亞閾值區(qū)模型當(dāng)柵電壓小于閾值電壓時(shí)，溝道處于弱反型狀態(tài)，Ids并不為0，通常當(dāng)時(shí)，稱(chēng)為亞閾值區(qū)，此時(shí)漏電流不以漂移電流占主導(dǎo)，而是以擴(kuò)散電流為主.特點(diǎn)：反型層中電荷Qi遠(yuǎn)小于耗盡層電荷Qb.

半導(dǎo)體表面電勢(shì)沿溝道方向不變.

牛牛文庫(kù)文檔分享第63頁(yè)/共94頁(yè)溝道中擴(kuò)散電流：弱反型：源端：Vcb=Vsb;漏端：Vcb=Vsb+Vds代入上式可得到源、漏端反型層電荷，最后可推導(dǎo)出漏電流亞閾值斜率S：亞閾值電流每變化一個(gè)數(shù)量級(jí)所要求柵壓的變化量.----標(biāo)志開(kāi)關(guān)特性的好壞，體現(xiàn)界面陷阱對(duì)器件性能影響程度.

牛牛文庫(kù)文檔分享第64頁(yè)/共94頁(yè)耗盡型器件的漏電流模型Qm=-Qim+Qjn+Qsc溝道內(nèi)可動(dòng)電荷Qm:表面積累表面耗盡表面反型

牛牛文庫(kù)文檔分享第65頁(yè)/共94頁(yè)忽略擴(kuò)散電流，漏電流為：代入Qm，得Fs根據(jù)以下五種狀態(tài)分別求解：（1）整個(gè)表面反型；（2）源端反型、漏端耗盡（3）整個(gè)表面耗盡；（4）源端積累、漏端耗盡（5）整個(gè)表面積累。

牛牛文庫(kù)文檔分享第66頁(yè)/共94頁(yè)MOSFET中遷移率問(wèn)題?體遷移率與有效場(chǎng)效應(yīng)遷移率的差別體遷移率:與離化雜質(zhì)散射和晶格散射相關(guān).有效場(chǎng)效應(yīng)遷移率：與界面電荷、表面粗糙度、晶格及離化雜質(zhì)原子散射相關(guān).?柵壓引起遷移率退化機(jī)理:當(dāng)Vg引起垂直溝道方向的電場(chǎng)高于某一臨界電場(chǎng)時(shí)，載流子強(qiáng)烈地推向界面附近，表面散射增加，遷移率減小。受界面狀況的影響＞器件參數(shù)的影響對(duì)于TFT器件還存在體缺陷的影響？！

牛牛文庫(kù)文檔分享第67頁(yè)/共94頁(yè)?漏壓引起遷移率退化機(jī)理:當(dāng)平行溝道方向的橫向電場(chǎng)增加到一定值時(shí)導(dǎo)致載流子速度飽和，當(dāng)電場(chǎng)繼續(xù)增加，速度不變，遷移率減小。同時(shí)考慮縱向電場(chǎng)和橫向電場(chǎng)時(shí)，遷移率表示式：MOSFET中熱載流子效應(yīng)模型當(dāng)器件尺寸等比例縮小，而電源電壓不變時(shí)，橫向電場(chǎng)和縱向電場(chǎng)增大，這時(shí)溝道中熱（高能）載流子會(huì)引起柵介質(zhì)與半導(dǎo)體之間界面損傷或產(chǎn)生氧化物缺陷，從而影響器件的可靠性，導(dǎo)致晶體管的驅(qū)動(dòng)電流降低，甚至電路失效。

牛牛文庫(kù)文檔分享第68頁(yè)/共94頁(yè)?柵電流模型（溝道熱電子注入柵氧化層的幸運(yùn)電子模型）?須滿(mǎn)足條件：(1)溝道中熱電子具有足夠的動(dòng)能.(2)熱電子須經(jīng)歷一次彈性碰撞，水平動(dòng)量變成垂直動(dòng)量.(3)熱電子在到達(dá)界面前不能有任何非彈性碰撞.氧化層中的電場(chǎng)：柵電流：：改變方向散射的平均自由程：最大溝道電場(chǎng)：越過(guò)Si/SiO2的勢(shì)壘：熱電子散射的平均自由程

牛牛文庫(kù)文檔分享第69頁(yè)/共94頁(yè)1）對(duì)于N溝MOSFET，柵電流一般為熱電子注入引起,柵電流的峰值位于Vgs≈Vds處；Vgs一定時(shí)，Vgs≤Vds,

Ig隨Vds增大而增大；

Vgs>Vds時(shí)，工作線(xiàn)性區(qū)，Ig減小.柵電流相關(guān)結(jié)論：2）當(dāng)tox足夠小時(shí)，柵電流也可由熱空穴注入柵氧化層而形成.(空穴來(lái)源熱電子碰撞離化形成并被溝道電場(chǎng)加速）.3）對(duì)于P溝MOSFET，柵電流峰值發(fā)生在低Vgs處，Igs由雪崩熱電子（由空穴碰撞離化產(chǎn)生），而不是溝道熱空穴形成.當(dāng)|Vgs|較高時(shí)，Ig由熱空穴形成.4）P溝MOSFET的Ig高于N溝MOSFET的Ig（約兩個(gè)數(shù)量級(jí)）,因Vgs＜＜Vds,在p溝MOSFET中Eox有利于電子注入。

牛牛文庫(kù)文檔分享第70頁(yè)/共94頁(yè)MOSFET的退化機(jī)制?退化現(xiàn)象：MOSFET在連續(xù)的工作電壓作用后，器件特性(Vth、Ids、gm、S等）發(fā)生變化的現(xiàn)象.?原因：溝道（特別是漏端附近）,強(qiáng)電場(chǎng)引起的熱載流子效應(yīng)造成柵介質(zhì)層損傷（柵介質(zhì)層中形成電荷陷阱）和半導(dǎo)體/柵介質(zhì)層之間界面損傷（生成界面電荷）.?熱載流子效應(yīng)機(jī)制：（1）溝道熱電子：溝道內(nèi)電子加速獲得足夠能量注入柵介質(zhì)層.（2）漏雪崩熱載流子:漏端強(qiáng)電場(chǎng)下的雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生熱電子和熱空穴.(發(fā)生條件：Vds>Vgs>Vth）

牛牛文庫(kù)文檔分享第71頁(yè)/共94頁(yè)（3）襯底熱電子：耗盡層中產(chǎn)生的電子或襯底中性區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子在向Si/SiO2界面漂移過(guò)程中從表面耗盡層的高電場(chǎng)中獲得能量后超過(guò)勢(shì)壘.(發(fā)生條件：Vds=0,Vgs>0,Vbs較大）（4）二次產(chǎn)生的熱電子：漏端附近的雪崩過(guò)程形成襯底空穴電流，該空穴電流又通過(guò)離化產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)，在薄柵介質(zhì)和背柵電壓較大時(shí)注入柵介質(zhì)層.?n溝MOSFET退化現(xiàn)象比p溝MOSFET嚴(yán)重.理由:（1）Si/SiO2界面處空穴的勢(shì)壘高于電子.

（2）空穴引起的電子-空穴對(duì)產(chǎn)生率較低.

牛牛文庫(kù)文檔分享第72頁(yè)/共94頁(yè)MOSFET退化特性的表征?實(shí)驗(yàn)方案：（TFT器件而言）（1）柵應(yīng)力：加一定的柵電壓（＋或－），Vds=0V.

（2）漏應(yīng)力：加一定的漏電壓，柵極懸空.

（3）同時(shí)加Vgs和Vds，相對(duì)大小可變化.

（4）脈沖應(yīng)力.?實(shí)驗(yàn)樣品：不同的柵介質(zhì)種類(lèi)和厚度、不同的溝道長(zhǎng)度的樣品.?測(cè)試方法：（1）I-V（Ids-Vds、Ids-Vgs、Ig-Vgs及其遲滯曲線(xiàn)）；（2）C-V（高低C-V、準(zhǔn)靜態(tài)C-V、C-V遲滯）;（3）噪聲特性.

牛牛文庫(kù)文檔分享第73頁(yè)/共94頁(yè)第四章OFET的工作原理及模型

積累模式線(xiàn)性狀態(tài)：假設(shè)：(1)場(chǎng)效應(yīng)遷移率為常數(shù)；

(2)源、漏極為歐姆接觸。對(duì)于p型半導(dǎo)體，表面電場(chǎng)：溝道區(qū)x位置的單位面積的誘導(dǎo)電荷：工作原理：

牛牛文庫(kù)文檔分享第74頁(yè)/共94頁(yè)考慮有機(jī)半導(dǎo)體薄層體電導(dǎo)，則溝道區(qū)的電流電壓關(guān)系得到：式中耗盡模式：對(duì)于p溝OFET，當(dāng)柵極加上正向電壓時(shí)，在有機(jī)半導(dǎo)體與絕緣層界面半導(dǎo)體一側(cè)將形成耗盡層，耗盡層寬度可表示成：漏極電流:

牛牛文庫(kù)文檔分享第75頁(yè)/共94頁(yè)在半導(dǎo)體薄膜厚度小于絕緣層厚度時(shí)()，線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)漏電流分別為:線(xiàn)性區(qū)：飽和區(qū)：夾斷電壓：積累模式飽和狀態(tài)

當(dāng)時(shí)，漏極一邊的積累層將變成耗盡層。

牛牛文庫(kù)文檔分享第76頁(yè)/共94頁(yè)在和摻雜濃度等于載流子濃度時(shí)，上式簡(jiǎn)化為

當(dāng)自由載流子濃度等于摻雜濃度的情況下，有：

牛牛文庫(kù)文檔分享第77頁(yè)/共94頁(yè)若考慮源、漏極的串聯(lián)電阻，線(xiàn)性區(qū)漏極電流為：設(shè)(Rs=Rd)如果為歐姆電阻，不依賴(lài)于、、而變化，則從測(cè)量數(shù)據(jù)得出的關(guān)系曲線(xiàn)中利用上式中可計(jì)算出本征遷移率、閾值電壓和串聯(lián)電阻。

上式可變換擬合成：

式中

牛牛文庫(kù)文檔分享第78頁(yè)/共94頁(yè)基于單一陷阱能級(jí)的直流(DC)模型

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只考慮陷阱態(tài)具有單一淺能級(jí)分布，并位于多數(shù)載子輸運(yùn)帶附近，對(duì)于p型半導(dǎo)體，該能級(jí)位于費(fèi)米能級(jí)與價(jià)帶之間,(對(duì)于n型半導(dǎo)體，該能級(jí)則位于費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶之間.)當(dāng)加負(fù)柵壓時(shí)，形成如圖能帶彎曲。溝道內(nèi)垂直表面方向的電場(chǎng)：空間電荷區(qū)表面電荷密度：--------G.Horowitz,J.A.P.,1991,70(1):469-475.

牛牛文庫(kù)文檔分享第79頁(yè)/共94頁(yè)同理，溝道內(nèi)自由電荷密度和陷阱電荷密度可分別表示為：由高斯定理，可得由柵電壓誘導(dǎo)溝道表面總的單位面積電荷Qtot也可表示為

式中總誘導(dǎo)電荷包括可動(dòng)電荷和陷阱電荷，即（半導(dǎo)體表面Vg,x=Vg)

牛牛文庫(kù)文檔分享第80頁(yè)/共94頁(yè)------式中Qs、對(duì)應(yīng)自由電荷(或陷阱電荷)由陷阱態(tài)分布假設(shè)，自由電荷和陷阱電荷密度分別可表示為-----自由電荷和陷阱電荷密度依賴(lài)于能帶彎曲.------V為界面處聚合物半導(dǎo)體表面電勢(shì).代入積分可得

牛牛文庫(kù)文檔分享第81頁(yè)/共94頁(yè)將Fx代入可得：找到V與間的關(guān)系將Fx和pf的表達(dá)式代入可得不同的陷阱態(tài)密度下溝道表面自由電荷密度與總的柵誘導(dǎo)電荷密度之比隨柵電壓的變化關(guān)系(=0.2eV)

牛牛文庫(kù)文檔分享第82頁(yè)/共94頁(yè)對(duì)于不同陷阱能級(jí)下溝道表面自由電荷密度與總的柵誘導(dǎo)電荷密度之比隨柵電壓的變化關(guān)系(Nt=1019cm-3)

由漸進(jìn)溝道近似，器件的漏電流可表示為又因?yàn)樗裕?/p>

牛牛文庫(kù)文檔分享第83頁(yè)/共94頁(yè)陷阱電荷密度()和自由電荷密度()與表面能帶彎曲的關(guān)系溫度T(K)NV(cm-3)Nt(cm-3)Et-EV(eV)EF-EV(eV)300102110190.20.5(1)第一區(qū)，對(duì)應(yīng)陷阱能級(jí)全部被載流子填充時(shí)表面電勢(shì)。由于費(fèi)米能級(jí)EF高于價(jià)帶能級(jí)EV和陷阱能級(jí)Et，自由載流子和陷阱載流子分布可近似為玻爾茲曼分布.，

牛牛文庫(kù)文檔分享第84頁(yè)/共94頁(yè)代入----并不依然于柵電壓Vg

(2)第二區(qū)，在V2處，有，即有

牛牛文庫(kù)文檔分享第85頁(yè)/共94頁(yè)(3)第三區(qū)當(dāng)半導(dǎo)體表面能帶彎曲大于V2后，自由載流子密度高于被陷阱的載流子密度度，總的載流子濃度近似為

當(dāng)柵壓足夠大時(shí)，飽和電流由第二項(xiàng)決定，即：式中

牛牛文庫(kù)文檔分享第86頁(yè)/共94頁(yè)第五章MOSFET參數(shù)提取

ParametersExtractionStrategy:Thegroupdeviceextractionstrategy.Requiresmeasureddatafromdeviceswithdifferentgeometries.Alldevicesaremeasuredunderthesamebiasconditions.Theresultingfitmightnotbeabsolutelyperfectforanysingledevicebutwillbebetterforthegroupofdevicesunderconsideration.Alocaloptimization.Parametersareextractedfromdevicebiasconditionswhichcorrespondtodominantphysicalmechanisms.Withrespecttoagivenparameter’sphysicalmeaning.

牛牛文庫(kù)文檔分享第87頁(yè)/共94頁(yè)GeneralRequirement.Onelarge-sizeddevice(eg.W>=20μm,L>=20μm).Onesetsofdifferentchannellengthsdeviceswithafixedlargewidth.DCmeasurementconditions.Idsvs.Vgs(Vdsissmallvalueaspossible),obtainlinearregimemeasureddata.Idsvs.VdswithdifferentVgs,obtainlinear,saturationregimemeasureddata.Idsvs.VgswithdifferentVds,obtainsubthesholdandleakageregimedata.

Parameterextractionrequirements