《MOSFET直流特性》PPT课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3,、,MOSFET,的直流特性,本节内容,推导长沟道,MOSFET,的电流电压之间的数学关系，包括：,线性区的,I-V,关系,饱和区的,I-V,关系,亚阈值区的,I-V,关系,沟道长度调制效应,基本方程,半导体器件的特性一般由下面三组方程决定,器件结构,以,NMOS,为例，结构和尺寸如图所示,基本假定,衬底均匀掺杂,氧化层中面电荷密度,Q,0,为常数,忽略源、漏区体电阻,忽略源、漏,PN,结和场感应结的反向漏电流,长、宽沟,MOSFET,：,WLToxXc,反型层载流子迁移率为常数，其值取位于栅和漏平均电场处的表面迁移率，尽管 与,Ex,、,Ey,都有关。,基本假定（,1,）,缓变沟道近似*,数学表示式：,Poission,方程变成一维：,忽略空穴电流*，只考虑电子电流,J,n,，平且假定电流只沿,Y,方向流动*,强反型近似成立,Strong Inversion Approximation,假定沟道强反型后，沟道电流是由漂移而非扩散产生的,不考虑复合与产生。,稳态时，,Jn,的散度为,0,。即沟道区的任何一点上，总的漏电流,I,DS,是一样的,基本假定（,2,）,根据上述假设，沟道中任意一点的电流密度：,E,y,：,沟道,y,方向,y,点的电场。,V,y,：,y,点相对于源端的电位,电流电压方程（,1,）,（强反型近似）,电流电压方程,一级近似模型：,MOSFET,线性区,假设,12,假定沿沟道长度方向的体电荷密度,Q,b,是固定的，即与漏电压,V,DS,无关：,这一电流方程最先由,C.T.Sah,在,1964,年得到，称为萨之唐方程，也是,SPICE,中的,LEVEL 1,级模型。,一级近似模型：,MOSFET,线性区,工艺跨导参数：,阈值电压：,单位：,A/V,2,沟道宽长比：,当,V,DS,较小*：,沟道电阻：,non-physical,At Peak current,When V,Y,=V,GS,-V,Tn,Q,i,(Y)=0,而,Vy,的最大值在漏端,当,V,DS,=V,dsat,=V,GS,-V,Tn,时，漏端沟道消失（被夹断）。漏端沟道开始夹断时的漏源电压,称为饱和电压，用,V,dsat,表示，对应的电流称为饱和电流，,用,I,Dsat,表示。,一级近似模型：,MOSFET,饱和区,夹断点的漏电流,saturated,夹断后，,V,DS,再增加，增加的部分全部降落再夹断区，导致夹断点向源区移动。对于长沟道，,LL,，,可以认为沟道长度基本不变，电流也不再变化，夹断后,漏电流由,Idsat,外推得到。,一级近似模型：,MOSFET,饱和区,夹断的条件,：,Q,i,(Y=L)=0,漏电流达到最大,夹断时的源漏电压,：,V,DS,=V,Dsat,=V,GS,-V,Tn,夹断后，,V,DS,再增加,：,增加的部分全部降落在夹断区,夹断点向源端方向移动，夹断区展宽,夹断区是耗尽区,若,L L,，漏电流维持在,I,Dsat,一级近似模型：,MOSFET,饱和区,二者等价,沟道真的被夹断了？,沟道长度调制效应（,CLM,）,C,hannel,-L,ength,-M,odulation,当,V,DS,V,Dsat,漏耗尽区展宽，夹断点向源端移动，夹断点,P,和,n,+,漏区之间的夹断区,L,使得有效沟道长度,L,减小为,L,。,L,与（,V,DS,-V,DSAT,）有关，它将调制有效沟道长度，这种现象称为沟道长度调制。,对于短沟道器件，沟道长度调制,使得,MOST,工作在饱和区时，漏电流,I,DS,随,V,DS,增加而缓慢增加。,精确描述,CLM,，需要二维求解。,SPICE,中用,沟道长度调制系数,表示饱和区,VDS,对,IDS,的影响程度。,一级近似模型：结论,MOSFET,的一级模型，由下面方程描述,一级模型即使对于沟道很大的器件，例如,10,微米，其精确性也不能令人满意，但对基本的电路分析和手工计算非常应用。,截止区,线性区,饱和区,平方律理论,体电荷模型（,Bulk charge Model,）,基本假设：保留,1,10,项假设，撤销第,11,项假设，该假设认为沿沟道长度方向,Q,b,是不变的。事实上，当,V,DS,0,时，从源到漏的,Q,b,（耗尽层宽度,X,dmax,）是逐渐增加的,体电荷模型考虑到了这一点。,体电荷模型（,Bulk charge Model,）,SPICE LEVEL 2,级模型中的电流方程,考虑,体电荷效应,得到的,I,DS,、,V,dsat,比萨之唐方程计算的结果要小。,平方根近似,亚阈值电流（,1,）,亚阈值区的定义,：,表面弱反型：,V,GS,4V,t,时，,I,Dsub,与,V,DS,无关（但对于短沟道器件，亚阈值电流强烈依赖于漏电压）,亚阈值电流与温度有强烈的依赖关系，低温时亚阈值电流随,V,GS,变化陡峭,亚阈值斜率,S,表征亚阈值区的重要参数,物理意义是器件从导通电流减小到截至电流时所要求的栅压的变化量，也称为栅压摆幅。,定义为亚阈值电流每变化,10,倍（一个数量级）所要求的栅压的变化量*。,S,的单位：,V/dec,S,越小器件的开关特性越好,亚阈值电流,（,3,）,测量得到的亚阈值电流数据。半对数坐标系中的亚阈值电流为直线。直线斜率的倒数,S,定义为亚阈值斜率的倒数（简称为亚阈值斜率）,降低,S,的方法：,降低,Tox;,降低,N,B,;,增加,V,SB,;,降低界面陷阱密度,D,it,亚阈值电流,（,4,）,理论上，,S,的最小值为,：,S,min,=60 (mV/decade),现代典型工艺,S,值的范围,：,70,120(mV/decade),为什么要求,S,小？,设计者需要用它来保证,MOST,处在“关”态所需要的栅压。通常，,MOST,处在“关”态的标准是当,V,G,=0,时流过漏极的电流不超过,V,G,=V,T,时漏极电流的,0.001%(10,-5,),S,给出了阈值电压,V,T,的下限*,亚阈值电流,（,5,）,模型的缺陷,前述模型的缺陷,：,分段,计算漏电流，计算时：,假定在亚阈值区（弱反型）只有扩散电流,假定在线性区和饱和区（强反型区）只有漂移电流（且模型,不能自行饱和,，需要人为的建立饱和区的特性）,导致电流在弱反型区和强反型区不可能有一个平滑的过渡。,模型的缺陷（,2,）,解决的办法,1,：引入导通电压,V,on,，当,V,GS,V,on,时，强反型方程有效，当,V,GS,V,on,时，弱反型方程有效。,Pao-Sah,模型和薄层电荷模型,Pao-Sah Model,和,Charge Sheet Model,弥补了上述缺点，这两种理论都可以计算亚阈值电流，也可以实现自行饱和。,Pao-Sah,模型是一个精确的电荷模型，薄层电荷模型可以看成是,Pao-Sah,模型的简化。,Pao-Sah Model:,H.C.Pao,C.T.Sah,Solid-State-Electron.,9,pp927-937(1966),Charge Sheet Model:,J.R.Brews,et al,Solid-State-Electron.,21,pp345-355(1978),MOS,亚阈值特性,