詳解MOS器件的重要特性(圖文)

一、為什么E-MOSFET的閾值電壓隨著半導(dǎo)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(dǎo)體表面產(chǎn)生反型層（導(dǎo)電溝道）所需要加的柵極電壓。對(duì)于n溝道E-MOSFET，當(dāng)柵電壓使得p型半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲到表面勢(shì)ψs≥2ψB時(shí)，即可認(rèn)為半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型，因?yàn)檫@時(shí)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ψB是半導(dǎo)體Fermi勢(shì)，即半導(dǎo)體禁帶中央與Fermi能級(jí)之差。閾值電壓VT包含有三個(gè)部分的電壓（不考慮襯偏電壓時(shí)）：柵氧化層上的電壓降Vox；半導(dǎo)體表面附近的電壓降2ΨB：抵消MOS系統(tǒng)中各種電荷影響的電壓降——平帶電壓VF。

　　在閾值電壓的表示式中，與摻雜濃度和溫度有關(guān)的因素主要是半導(dǎo)體Fermi勢(shì)ψB。當(dāng)p型半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度NA提高時(shí)，半導(dǎo)體Fermi能級(jí)趨向于價(jià)帶頂變化，則半導(dǎo)體Fermi勢(shì)ψB增大，從而就使得更加難以達(dá)到ψs≥2ψB的反型層產(chǎn)生條件，所以閾值電壓增大。
　　當(dāng)溫度T升高時(shí)，半導(dǎo)體Fermi能級(jí)將趨向于禁帶中央變化，則半導(dǎo)體Fermi勢(shì)ψB減小，從而導(dǎo)致更加容易達(dá)到ψs≥2ψB的反型層產(chǎn)生條件，所以閾值電壓降低。
　　二、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(wú)關(guān)）？
　　【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(shí)際上，溝道在一端夾斷并不等于完全沒(méi)有溝道。當(dāng)柵電壓小于閾值電壓時(shí)，則完全沒(méi)有溝道，這是不導(dǎo)電的狀態(tài)——截止?fàn)顟B(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(qiáng)的電場(chǎng)，只要有載流子到達(dá)夾斷區(qū)的邊緣，即可被電場(chǎng)拉過(guò)、從漏極輸出，因此夾斷區(qū)不但不阻止載流子通過(guò)，而相反地卻能夠很好地導(dǎo)電，所以有溝道、并且溝道在一端夾斷的狀態(tài)，是一種很好的導(dǎo)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(jìn)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——剩余溝道的長(zhǎng)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(zhǎng)度，所以這時(shí)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。
　　三、為什么短溝道E-MOSFET的飽和源-漏電流并不完全飽和？
　　【答】對(duì)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(dǎo)致的電流飽和；另一種是速度飽和所導(dǎo)致的電流飽和。
　　對(duì)于溝道夾斷的飽和，因?yàn)閵A斷區(qū)的長(zhǎng)度會(huì)隨著其上電壓的增大而有所增大，則使得剩余溝道的長(zhǎng)度也將隨著源-漏電壓而減短，從而就會(huì)引起源-漏電流相應(yīng)地隨著源-漏電壓而有所增大——輸出電流不完全飽和。不過(guò)，這種電流不飽的程度與溝道長(zhǎng)度有關(guān)：對(duì)于長(zhǎng)溝道MOSFET，這種夾斷區(qū)長(zhǎng)度隨源-漏電壓的變化量，相對(duì)于整個(gè)溝道長(zhǎng)度而言，可以忽略，所以這時(shí)溝道夾斷之后的源-漏電流近似為“飽和”的；但是對(duì)于短溝道MOSFET，這種夾斷區(qū)長(zhǎng)度隨源-漏電壓的變化量，相對(duì)于整個(gè)溝道長(zhǎng)度而言，不能忽略，所以溝道夾斷之后的源-漏電流將會(huì)明顯地隨著源-漏電壓的增大而增加——不飽和。
　　對(duì)于速度飽和所引起的電流飽和情況，一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)電場(chǎng)很強(qiáng)、載流子速度飽和之后，再進(jìn)一步增大源-漏電壓，也不會(huì)使電流增大。因此，這時(shí)的飽和電流原則上是與源-漏電壓無(wú)關(guān)的。
　　對(duì)于短溝道MOSFET，還有一個(gè)導(dǎo)致電流不飽和的重要原因，即所謂DIBL（漏極感應(yīng)源端勢(shì)壘降低）效應(yīng)。因?yàn)樵磪^(qū)與溝道之間總是存在一個(gè)高低結(jié)所造成的勢(shì)壘，當(dāng)源-漏電壓越高，就將使得該勢(shì)壘越低，則通過(guò)溝道的源-漏電流越大，因此輸出電流不會(huì)飽和。
　　總之，導(dǎo)致短溝道MOSFET電流不飽和的因素主要有溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)和DIBL效應(yīng)。
　　四、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(guān)系？

　　【答】增強(qiáng)型MOSFET（E-MOSFET）的飽和源-漏電流表示式為飽和電壓(VGS-VT)就是溝道夾斷時(shí)的源-漏電壓。在MOSFET的轉(zhuǎn)移特性（IDsat～VGS）曲線上，E-MOSFET的飽和源-漏電流IDsat與飽和電壓(VGS-VT)的關(guān)系即呈現(xiàn)為拋物線。導(dǎo)致出現(xiàn)這種平方關(guān)系的原因有二：
　�、贉系缹挾仍酱�，飽和源-漏電流越大，飽和電壓也就越高；②電流飽和就對(duì)應(yīng)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(guān)系，這就導(dǎo)致以上的平方結(jié)果。正因?yàn)镸OSFET具有如此平方的電流-電壓關(guān)系，所以常稱(chēng)其為平方率器件。
　　五、為什么一般MOSFET的飽和源-漏電流具有負(fù)的溫度系數(shù)？
　　【答】MOSFET的飽和源-漏電流可表示為

　　在此關(guān)系中，因?yàn)椴牧蠀��?shù)和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)均與溫度的關(guān)系不大，則與溫度有關(guān)的因素主要有二：閾值電壓VT和載流子遷移率μn。
　　由于MOSFET的閾值電壓VT具有負(fù)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(dǎo)致電流具有正的溫度系數(shù)。
　　而載流子遷移率μn，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(dòng)散射起作用）：
　　式中To=300K，m=1.5～2.0。遷移率的這種溫度特性即導(dǎo)致MOSFET的增益因子也具有負(fù)的溫度系數(shù)。從而，隨著溫度的升高，遷移率的下降就會(huì)導(dǎo)致MOSFET的輸出源-漏電流減小，即電流具有負(fù)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：
　�、佼�(dāng)飽和電壓(VGS-VT)較大（即VGS>>VT）時(shí)，閾值電壓溫度關(guān)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(guān)系，即具有負(fù)的溫度系數(shù)（溫度升高，IDS下降）；②當(dāng)飽和電壓(VGS-VT)較�。�即VGS～VT）時(shí)，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(guān)系，從而具有正的溫度系數(shù)（溫度升高，IDS也增大）。
　　而對(duì)于一般的MOSFET，為了獲得較大的跨導(dǎo)，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(fù)的溫度系數(shù)。也因此，一般的MOSFET都具有一定的自我保護(hù)的功能，則可以把多個(gè)管芯直接并聯(lián)起來(lái)，也不會(huì)出現(xiàn)因電流分配不均勻而引起的失效；利用這種并聯(lián)管芯的辦法即可方便地達(dá)到增大器件輸出電流的目的（實(shí)際上，功率MOSFET就是采用這種措施來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流的）。
　　六、為什么MOSFET的飽和區(qū)跨導(dǎo)大于線性區(qū)的跨導(dǎo)？

　　【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(duì)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(huì)導(dǎo)致溝道首先在漏極端夾斷）。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持