场效应器件物理2_MOSFET进阶2012copy
《MOS场效应晶体管》 (2)幻灯片
在着某些交迭，故客观上存 在着Cgs和Cgd。当然，引出
图 5.3
线之间还有杂散电容20，21可/5/19
19
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1〕假设Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道 不通。
MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无奉献。
Cg = Cgs + Cox
Cd = Cdb
1 2
Vds
2021/5/19
6
MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足: dIds 0
dVds
Ids达到最大值Idsmax，
其值为
Ids m 1 2 ato x ox xW LV g sV T2
Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0
MOS电容凹谷特性测量
假设测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。
然而，在大局部场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不管测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
2021/5/19
5
MOSFET的伏安特性—方程推导
非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
I ds
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2
MOSFET工作原理与应用
本文从MOSFET的物理结构开始，来深入剖析MOSFET的工作原理，接下来举例说明MOSFET的应用线路，常见的失效模型以及如何做改善防止类似事件再次发生。
可以帮助设计应用工程师在研发阶段对MOSFET的选用有更加深入的了解，需要注意些什么，防止设计时物料选用错误，造成后期制造时品质异常频频发生。
常见的失效模型，也可以让工厂段的工程师对MOSFET在工厂的失效有一个清晰的概念，当MOSFET在工厂组装测试失效的时候，可以知道从什么地方下手去做相关的失效分析，不至于无处着手，以至于错了方向，浪费大量的时间去做实验。
节省人力成本，试验成本。
更加重要的是，找到失效的真正的原因，并采取相应的围堵措施，改善措施，保证客户产品能够低风险并准时出货。
关键词：MOSFET, 物理结构，工作原理，应用线路，失效模式第一章 MOSFET简介------------------------------------4第二章开关特性和工作原理-----------------------------5～7 第三章物理结构及生产工艺-----------------------------8～9 第四章常见应用及举例说明----------------------------10～13 第五章失效模式及改善--------------------------------14～20 第六章总结------------------------------------------21第一章MOSFET简介MOSFET是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。
它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。
即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）场效应晶体管。
从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会给人得到错误的印象。
半导体器件物理-MOSFET..
P型衬底
例如：若Na=1016/cm3，栅氧厚度为30nm，计算可得： Φfp=0.348V，
Xd≈0.3μm，Xd ≈ 4nm，由此得 Q`dep=-5.5×10-8/cm2, Q`inv = -6.5×10-10/cm2
因此表面电荷面密度为：
Q`-=Q`dep+Q`inv≈Q`dep
2021/8/1
2021/8/1
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
P型衬底
反型层电荷浓度：
ns
ni
exp
EF EFi kT
ni
exp
e（s
kT
fp）
ni
exp
e（2fp
kT
fp）
Pp0
Na
阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度
fp 0.347V s反型 2 fp 0.695V
ns 11016 cm3
表面势增加0.12V，则ns=100PP0，而Xdep 只增加约8%，很小，原因？
XIDIAN UNIVERSITY 2021/8/1
4.0 MOS电容
表面能带图:p型衬底(2)
阈值反型后， xd↑最大值XdT不再扩展：
功函数差Vox0+s0=- ms
VTN VG |s 2 fp Vox s
VoxT Vox0 S S0
Q'm Cox
2 fp
(Vox0
S0)
| Q' SD max | － Q'ss
Cox
Cox
＋2
fp
ms
|Q'SDmax|=e NaXdT
半导体器件物理II必背公式 考点摘要
半二复习笔记1.1MOS结构1.费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示2.表面势：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示3.金半功函数差4.P沟道阈值电压注意faifn是个负值1.3 MOS原理1. MOSFET非饱和区IV公式2. 跨导定义：VDS一定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能力3. 提高饱和区跨导途径4.衬底偏置电压VSB>0，其影响5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作用。
VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化1.4 频率特性1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间2. 截止频率：器件电流增益为1时的频率高频等效模型如下：栅极总电容CG看题目所给条件。
若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；非理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产生寄生电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。
3. 提高截止频率途径1.5 CMOS1.开关特性2.闩锁效应过程2.1 非理想效应1. MOSFET亚阈特性①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS无关④亚阈值摆幅S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。
⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量小。
因此S越小越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减小亚阈值摆幅2. 沟长调制效应（VDS↑⇒ID↑）①机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L` <L ，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加,②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度N 越小⇒ΔL的绝对值越大⇒沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越小⇒ΔL的相对值越大⇒沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化①概念：MOSFET载流子的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率非常数。
半导体技术之-MOSFET场效应晶体管
占多
N型反型层将源区和漏区的 N+区连接通，相当于一导电沟道。
反型层导电沟道刚形成时的栅源电压VGS 称为开启电压 (VGS(th) 简写为：Vth )
vGS 越大于开启电压Vth ， D、S间的导电沟道就越厚， 沟道电阻也就越小。
vGS
–+
导电沟道
S N＋
G
D
N＋
源 区
P型衬底
电子到达栅极下受到 绝缘层 阻挡，与绝缘层下的空穴复合，使栅 极板下方绝缘层下的P型半导体中出现一层负离子耗尽层。
D
iD=0
B G
vDS
vGS
S
0<vGS<Vth
vGS
–+
耗尽层
S
G
D
N＋
N＋
漏
源
区
区
P型衬底
6
栅源电压vGS的作用
3 vGS ≥ Vth —— 反型层导电沟道的形成：
当VGS增大到一定值VGS(th) 时，受电场作用运动到栅极板下方绝缘层下的 由电子数量足够多，使在这一区域的P型半导体中出现一层自由电子
分，在剩余的沟道
部分上的电场强度 增加不多，电流 iD 0 基本不变（略有增
加）。
iD
vDS=vGS-Vth
vGS↑ vGS=vGSQ
vDS
B
预夹断后，如栅源电压vGS增大， 使沟道的厚度增加，夹断点向漏极D 极方向后退，沟道电阻减小，电流 iD 随之增大。
－
vGD<Vth D
G＋
iD>0
B
vDS> vGS-Vth
G
+
vGS >Vth
mosfet特点
mosfet特点MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种重要的半导体器件，具有许多特点，下面将详细介绍。
1.极高的输入阻抗：MOSFET的输入阻抗非常高，通常可以达到数百兆欧姆。
这个特点使得MOSFET能够轻松地将输入信号转换成电流或电压输出，同时减少了外部电路对其性能的影响。
2.低功耗：MOSFET在工作时的功耗非常低。
当MOSFET处于开启状态时，几乎没有漏电流，因此不会产生额外的能量消耗。
这使得MOSFET成为高效能的功率放大器和开关器件。
3.快速的开关速度：由于MOSFET的结构特点，其开关速度非常快。
通过调整栅极电压，可以控制MOSFET的导通和截止，从而实现快速的开关。
这种特点使得MOSFET广泛应用于高频和高速的电路中。
4.高的工作温度范围：MOSFET可以在较高的温度下正常工作，通常可以达到150℃以上，甚至更高。
这使得MOSFET适用于一些需要在恶劣环境中工作的应用，如汽车电子、工业控制和军事设备等。
5.可靠性高：由于MOSFET没有机械运动部件，不易受到物理损耗和磨损的影响，因此具有较高的可靠性。
此外，MOSFET结构简单，不容易发生故障，且不易受到尘埃、湿气和震动等外界因素的干扰。
6.小型化：MOSFET器件尺寸小，体积小，重量轻。
这使得MOSFET非常适合用于大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中，可以在一个芯片上集成大量的MOSFET，从而提高整体性能和密度。
7.低噪声：MOSFET内部没有机械振动和滑动接触等噪声源，因此噪声较小。
这使得MOSFET非常适合用于低噪声放大器和高灵敏度的电路中。
8.宽广的应用：MOSFET被广泛应用于各种电子设备和系统中。
例如，它可以用于功率放大器、开关电源、驱动电路、调制解调器、放大器、放大电路、模拟开关、温度传感器等。
总的来说，MOSFET具有很多优点，如高输入阻抗、低功耗、快速开关速度、高工作温度范围、高可靠性、小型化、低噪声和广泛的应用等。
半导体器件物理MOSFET2
ID随VDS的变化(2)
过渡区
脱离线性区后，VDS ↑, VDS对Vox的抵消作用不可忽略 →沟道厚度不等→沟道等效电阻增加 →ID随VDS的增长率减小（过渡区）
2023/12/2
4.1 MOSFET
ID随VDS的变化(3)
→
饱和点
VGD VGS VDS VT 漏端处于临界强反型点 ，
饱和点： 漏端反型层电荷密度 0 漏端沟道刚好消失
2023/12/2
4.1 MOSFET
I-V特性定性分析
击穿区： VDS再继续↑ →漏极和衬底之间PN结反偏电压过大 →导致pn结耗尽层内发生雪崩击穿，ID急剧增大，进入击穿区， →此时电压为BVDS
输出特性曲线：VGS>VT的某常数时，ID随VDS的变化曲线
4.1 MOSFET
I-V特性定性分析
ID
WnCox
L
(VGS
VT )VDS
g dL
WnCox
L
(VGS
VT
)与 VVGDSS无关
饱和区（VDS VDS(sat ) )
ID
WnCox
2L
(VGS
VT )2
gds 0, 与VDS无关
2023/12/2
4.1 MOSFET
源漏间的有效电阻Rds
源漏间的有效电阻Rds: 沟道电导的倒数
2023/12/2
4.1 MOSFET
按照沟道载流子的导电类型分:
MOSFET分类(1)
n沟道MOSFET：NMOS
P衬，n型反型层，电子导电
p沟道MOSFET：PMOS N衬，p型反型层，空穴导电
VDS>0, ID>0
VDS<0, ID<0
MOSFET基本原理讲解学习
Principle of MOSFET功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。
U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
{{分页}}1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
小好？大好？
越小越好， 说明VGS降低能快速关断器件。
2013-8-18
2.1 非理想效应
开关特性变差：
亚阈值电流:对器件的影响
由于存在亚阈电流，VGS略低于VT时，器件无法正常关闭。
静态功耗增加：
CMOS电路，总有MOS管处于截止态，若VGS只是稍低于 VT，理论器件截止，静态功耗为0.但亚阈电流存在，静态 功耗增加大。 想使器件很好关断，静态功耗小，VGS<<VT.
VT
2013-8-18
延迟时间 ' RC k
2eN a (2 fp ) Cox
VFB＋2 fp
(第一项
k , 后二项与 k无关）
2.2 按比例缩小
完全按比例缩小:小结
沟道长度减小到一定程度后出现的一系列二级物
理效应统称为短沟道效应。包括：
短沟道器件容易发生沟道长度调制效应
V L' kL E x不变 VDS ' kVDS I特性不变 VGS ' kVGS ,VT ' kVT
tox ' ktox , xD ' kxD N a ' N a / k
E y不变
xD
VDS Na
2013-8-18
2.2 按比例缩小
沟道面积W ' L' k 2WL
完全按比例缩小:结果
W W 沟道宽长比 ' L L
WL 总栅电容Cox ' t kCox ox
功率P' IV k 2 I D
L 导通电阻R' R W W 漏源电流I D ' V kI D L P 功率密度p' p WL
沟道长度调制效应:模型1
视作漏-衬pn结空间电荷 区的扩展
沟道夹断时漏 衬结空间电荷区宽度 x p1 沟道夹断后漏 衬结空间电荷区宽度 x p 2 夹断区长度 ΔL x p 2 x p1
2 s ( fp VDS ( sat ) ) eN a
(结反偏压 fp VDS ( sat ) )
ΔL 2 s [ sat (VDS VDS ( sat ) ) sat ] eNa
其中sat 2 E s sat eN a 2
2
eNa x 夹断区内x点的电场强度 x) dx E( E sat (边界条件E x 0 E sat ) s 0 s
0
[VGS VTn V ( x)]dV
1 1 (VGS VTn VDS ) 随VGS-VTn↑而↑变缓 VDS 1 (V V ) GS Tn
2013-8-18
2.1 非理想效应
对漏电流影响
迁移率变化:纵向电场的影响(3)
I D 与栅源电压成指数关系 （sub) （当VGS改变60mV，I D 改变一个数量级） （sub)
漏源电压 VDS 略大时，如 VDS 4e / kT 0.104 V, T 300 K，I D 即与 VDS 无关 （sub)
WnCox (VGS VT )VDS VDS L 若V2013-8-18VGS VT，处于线性区 DS ID
2013-8-18
饱和区跨
截止频率
2.1 非理想效应
迁移率变化:速度饱和效应
VGS－VT：为负，低电流区，弱反型区，指数关系； VGS－VT：较大，中电流区，强反型区，平方关系； VGS－VT：很大，大电流区，器件不会夹断饱和，只会速度饱和，
线性关系，跨导饱和。 模拟电路设计中：避免工作在速度饱和区，因为跨导不变，消耗 的电流却在增加。接近就OK
2013-8-18
2.1 非理想效应
n沟道MOSFET
亚阈值电流: 比较
堆积状态：势垒很高→电子无法 跃过→无法形成表面电流
弱反型状态：势垒较低→电子有一 定的几率越过势垒→形成亚阈值电 流
强反型状态：势垒极低→大量电子 越过势垒→形成沟道电流
2013-8-18
2.1 非理想效应
亚阈值电流: 电压特性
2013-8-18
2.1 非理想效应
非弹道输运MOSFET
弹道输运
沟道长度L>0.1μm，大于散射平均自由程 载流子从源到漏运动需经过多次散射 载流子运动速度用平均漂移速度表征 沟道长度L<0.1μm，小于散射平均自由程 载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞 高速器件
弹道输运MOSFET
若尺寸缩小30％，则 • 栅延迟减少30％，工作频率增加43％ • 单位面积的晶体管数目加倍
• 每次切换所需能量减少65％，节省功耗50％
2013-8-18
2.2 按比例缩小
完全按（恒定电场）比例缩小(Full Scaling)
缩小方式
尺寸与电压按同样比例缩小 电场强度保持不变
最为理想，但难以实现（器件阈值电压不能按比例缩小）
2.1 非理想效应
沟道长度调制效应:模型2
dE ( x ) 夹断区横向电场满足的 一维泊松方程 dx s
夹断区的电荷密度 ( x) eNa （与空间座标无关）
eN a x 2 夹断区内 x点的电势 （x) E x)dx （ E sat x C1 2 s ΔL eN a ΔL2 夹断区两端的电势差 ΔVDS E( x)dx ( ΔL ) (0) E sat ΔL 2 s 0 夹断区长度
场效应器件物理
第2章 MOSFET进阶
2013-8-18
2.1 非理想效应
MOSFET亚阈特性
本节内容
沟道长度调制效应
迁移率变化 速度饱和 弹道运输
2013-8-18
2.1 非理想效应
VG VT
半导体表面处于弱反型 区
亚阈值电流: 定义
fp s 2 fp
亚阈值电流
饱和漂移速度
vse (6 ~ 8) 106 cm/s
N a 1017 cm3 T 300K
（104V/cm)
峰值电场强度
2013-8-18
2.1 非理想效应
迁移率变化:Si的情形
v E
高场：迁移率随 E增加而下降
dv dE
强场：迁移率与E成反比
低场：迁移率 不随E而变
（104V/cm)
2013-8-18
2.1 非理想效应
峰值漂移速度
迁移率变化:漂移速度与电场的关系
Si : vse 1107 cm/s, EC 5 104 cm/V GaAs : v p 2 107 cm/s, E p 3.5 103 cm/V vse (6 ~ 8) 106 cm/s InP: v p 3 107 cm/s, E p 1.1103 cm/V
2013-8-18
2.1 非理想效应
长沟器件：载流子速度正比于电场
弹道输运
E
I D (VGS VT ) 2
短沟器件：电场大于临界电场，速度饱和。
vs e
I D (VGS VT )
发生弹道输运的短沟器件：载流子速度大于饱和速度。
I D (VGS VT )
x
2013-8-18
2.1 非理想效应
沟道长度调制效应:模型3
考虑沟道长度调制效应的IV的常用表达式：电流随着VDS的升高而上升。
I D ( sat )
W nCox 2 (VGS VT )（ VDS） 1 2L
L LVDS
沟道长度调制效应系数：
不是一个常数，和沟长有关：
2013-8-18
4 V VDS 短沟道易饱和（ DS 5V, L 1μm时，E 5 10 V/cm ) E 2013-8-18 L 高电压易饱和
2.1 非理想效应
提前饱和
迁移率变化:速度饱和效应
VDS ( sat ) VGS VT
饱和漏源
电流与栅 压成线性 关系 导与偏压 及沟道长 度无关 与栅压无 关
I D ( sat ) 若VDS
WnCox (VGS VT )2 与VDS 无关 2L VGS－VT，处于饱和区
2.1 非理想效应
亚阈值电流: 电压特性
亚阈值摆幅S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，
半对数亚阈特性曲线斜率的倒数。
S=dVGS/d(lgIDsub)
量化MOS管如何随栅压快速关断的参数。
弹道运输和非弹道输运的特点。
2013-8-18
2.2 按比例缩小
器件缩小的意义 器件缩小的几种方式
本节内容
恒场按比例缩小参数的变化
按比例缩小可能引发的短沟道效应
2013-8-18
2.2 按比例缩小
为什么要缩小MOSFET尺寸?
提高集成度：同样功能所需芯片面积更小 提升功能：同样面积可实现更多功能 降低成本：单管成本降低 改善性能：速度加快，单位功耗降低
恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling)
尺寸按比例缩小，电压保持不变 电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重
一般化按比例缩小(General Scaling)
2013-8-18
尺寸和电场按不同的比例因子缩小 迄今为止的实际做法
2.2 按比例缩小
完全按比例缩小:规则
沟道长度L越小 ΔL的相对值越大 沟道长度调制效应越显 著
2013-8-18
2.1 非理想效应
迁移率变化:纵向电场的影响(1)