半导体器件物理II必背公式+考点摘要.docx
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半导体器件物理II必背公式+考点摘要
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
5.
注意faifn是个负值
1.3MOS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
1.5CMOS
1.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`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。
VGS↑→垂直电场↑→漂移运动的电子更接近于氧化层和半导体的界面→表面散射增强,载流子的表面迁移率μ下降
②影响:
漏电流、跨导随栅压增加而增加的趋势减缓
4.速度饱和
①概念:
E较低时,μ为常数,半导体载流子漂移速度v与沟道方向电场E正比;E较高时,达到一临界电场EC时,载流子漂移速度v将达到饱和速度vSat,使载流子的μ下降
②影响:
使电流饱和
原因:
③易发生情况:
短沟器件,U大L小,E大,易达到饱和Ec
④考虑速度饱和后的饱和漏源电流
⑤跨导:
与偏压、沟长无关
⑥截止频率:
与偏压无关
5.弹道输运
特点:
①沟道长度L<0.1μm,小于散射平均自由程
②载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞
③高速器件:
不经散射的速度大于经历散射的平均漂移速度
非弹道输运特点:
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;因经历多次散射,载流子运动速度用平均漂移速度表征
2.2按比例缩小
按比例缩小的参数:
器件尺寸参数(L,tox,W,xj):
k倍
掺杂浓度(Na,Nd):
1/k倍
电压V:
k倍
电场E:
1倍
耗尽区宽度Xd:
k倍
电阻R(与L/W成正比):
1倍;
总栅电容(与WL/tox成正比):
k倍
漏电流I(与WV/L成正比):
k倍
2.3阈值电压调整
1.短沟道效应(L↓⇒VT↓)
①概念:
随着沟长L变短,栅压VG可控空间电荷区仅仅为下方梯形→可控耗尽层电荷占耗尽层越来越少→使得可控Qsd变小,VT下降
②影响因素:
a.L↓→VTN↓b.Na↑→VTN↓c.VDS>0→漏衬n+p反偏压↑→Qsd↓→VTN↓d.VSB↑→VTN↓(ΔVT绝对值更大,使VT整体减小)
2.窄沟道效应(W↓⇒VT↑)
概念:
表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象→VGS作用下要产生中间矩形和两侧的耗尽层电荷→W越小,相同偏压VG下能用来控制下方矩形部分的电压V越少→VT随W的↓而增大
3.离子注入调整
①原理:
通过离子注入技术向沟道区注入杂质
a.p型衬底表面注入受主杂质(如B)→半导体表面净掺杂浓度Na↑→/Q`SDmax/↑→表面更难以反型→VT↑
b.p型衬底表面注入施主杂质(如P)→半导体表面净掺杂浓度Na↓→/Q`SDmax/↓→表面更容易反型→VT↓
②离子注入关系
P型衬底加入受主杂质:
2.4击穿特性
1.栅氧化层击穿
①概念:
VGS↑→氧化层电场强度Eox≥临界电场强度EB,氧化层发生介电击穿,栅衬短路,栅电流产生
②影响因素:
静电使栅两侧出现电荷积累,易产生强电场使之击穿
③措施:
a.设计和使用做好防静电措施
b.进行电路设计
2.漏衬pn结雪崩击穿(沟道未形成)
①概念:
结反偏压VDS大到一临界值BVDS,发生雪崩击穿
②雪崩击穿:
载流子从大E获得大能量,与晶格原子碰撞→共价键断裂,产生电子空穴对→产生的电子空穴也会从E获得能量,继续碰撞→产生大量的电子被漏极收集(加入ID),发生击穿,产生的空穴注入衬底(产生Isub)
③影响因素:
a.击穿电压BVnp,其为轻掺杂侧掺杂浓度Na的函数
b.MOSFET漏衬PN结的BVDS耗尽区的电场在拐角处(棱角电场)容易集中,大于平面处电场
3.沟道雪崩倍增效应(VGS>VT)
①概念:
发自S端的载流子,形成电流IS,进入沟道区,受沟道E的加速→在D端附近发生雪崩倍增→产生的电子被漏极收集(加入ID),产生的空穴注入衬底(产生Isub)
②影响因素:
a.VDS越大,E越强,越容易诱发倍增
b.VGS越大,沟道载流子数越多,倍增越快,BVDS越小
4.寄生晶体管击穿(雪崩击穿正反馈)
①概念
前提:
MOSFET存在寄生的双极型晶体管
雪崩击穿→存在衬底电流Isub,同时Rsub不为零→寄生晶体管基极电势增高,使源衬结正偏→电子由重掺源区扩散至衬底,一部分电子加入ID使ID↑→雪崩击穿加剧(正反馈)
②易发生情况:
短沟高阻衬底的MOSFET
a.短沟,基区较窄,注入沟道区的电子易被漏极收集,同时漏结附近的E较强,倍增效应强
b.高阻,Rsub大
③措施:
重掺衬底
5.源漏穿通效应(短沟器件)
①概念:
漏衬结的空间电荷区扩展至和源衬结空间电荷区相接→导致源端和源漏之间半导体的势垒高度降低→电子跨越势垒高度由源区注入到源漏之间半导体区的几率增加
②影响:
a.VGS=0时,源和沟道区势垒高度被拉更低→源区电子注入到沟道区数量增多→亚阈值电流增加
b.VDS↑→源和沟道区势垒高度降低→ID指数↑→栅压控制器件ID能力下降
②易发生情况:
短沟高阻衬底的MOSFET
③措施:
增大栅氧下方会发生穿通效应的衬底浓度NB、增大VSB
6.LDD结构的MOSFET
①定义:
轻掺杂漏结构(LightlyDopedDrain)
②概念:
在沟道的漏端及源端增加低掺杂区,降低沟道端口处的掺杂浓度及掺杂浓度的分布梯度
③作用:
降低沟道中漏附近的电场,提高器件的击穿电压
2.5辐射效应与热载流子效应
1.辐射效应
①概念:
x射线、γ射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开,同时产生自由电子和自由空穴
②影响:
a.产生氧化层电荷
b.产生界面态
c.辐射总剂量越大,曲线斜率小,亚阈值摆幅增大
2.热载流子效应
①热载流子定义:
热载流子有效温度Te高,若环境温度为T,则平均能量(kTe)大于晶格能量(kT)的载流子。
MOSFET的热载流子,从VDS产生的E获得能量
②影响
a.热载流子(能量高)越过Si-SiO2界面势垒注入到SiO2层中→被氧化层陷阱俘获,氧化层电荷变化
b.热载流子越过界面,会打开Si-O键,产生界面态,使界面陷阱电荷变化
c.表面散射增强,使迁移率下降
d.被栅极收集,形成栅电流
③特点:
是连续过程、易发生于短沟器件
④措施:
采用轻掺杂漏结构(LDD)
原因:
漏区掺杂浓度较低且分布梯度较缓,电力线不易集中,沟道中漏附近的电场降低;减缓热载流子的产生;减缓雪崩击穿效应,寄生双极晶体管击穿效应
3.1JFET场效应管与MESFET
1.MESFET基本结构
2.肖特基二极管特点
①反向饱和电流数量级更高
②多子器件,无扩散电容无少子存储效应,开关特性好
3.2JFET理想直流特性
1.内建夹断电压Vp0:
沟道夹断时栅结总压降,Vp0>0
2.夹断电压Vp:
沟道夹断时的栅源电压,根据沟道类型可正可负
3.直流特性
①近似公式:
,IDSS为VGS=0时的沟道漏电流
②阈电流:
,为JFET在VGS,Vbi均为0时的最大漏电流,无空间电荷区
注意上式和Nd有关,即漏电流与掺杂浓度成正相关;因此跨导gm也与掺杂浓度正相关
3.3JFET等效电路和频率限制
1.提高fT的方法
①减小栅长
②降低栅电容
③增加跨导
④提高迁移率
2.二维电子气:
2DEG指在两个方向上可以自由运动,而在第三个方向上的运动受到限制的电子群
3.4高电子迁移率晶体管
1.量子阱结构
2.HEMT器件结构
考试时只需要自上而下画出:
源栅漏、n-AlGaAs、(I-AlGaAs隔离层)I-GaAs、sub-GaAs即可拿满分
隔离层作用:
减弱电离杂质的库仑力对电子的影响,这样能更进一步提高电子迁移率
3.GaN材料优势
①宽禁带,温度稳定性、辐射稳定性好
②BV高,高功率
③ΔEC高,形成高二维电子气浓度
④热导率高