半导体器件物理II必背公式+考点摘要.docx

1、半二复习笔记1.1 MOS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VSB0，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

2、限制因素：沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素） 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：CgdT的L为交叠部分长度 CgsT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 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 关系式： 注：若VDS4（kT/e），最后括号

3、部分1，IDsub近似与VDS无关 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。 快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量小。因此S越小越好 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 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（VDSID） 机理理想长沟：LL，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, 夹断区长度 修正后的漏源电流 影响因素衬底掺杂浓度N 越小L的绝对

4、值越大沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越小 L的相对值越大沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化 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下降 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 概念：E较低时，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，使载流子的下降 影响：使电流饱和原因： 易发生情况：短沟器件，U大L小，E大，易达到饱和Ec 考虑速度饱和后的饱

5、和漏源电流 跨导：与偏压、沟长无关 截止频率：与偏压无关5. 弹道输运 特点： 沟道长度L0.1m，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（LVT） 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

6、来越少使得可控Qsd变小，VT下降 影响因素：a.L VTN b.Na VTN c. VDS0 漏衬n+p反偏压 Qsd VTN d. VSB VTN（VT绝对值更大，使VT整体减小）2. 窄沟道效应（WVT） 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 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 /QSDmax/表面更难以反型VTb. 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 /QSDm

7、ax/表面更容易反型VT 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 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 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 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） 概念：结反偏压VDS大到一临界值BVDS ，发生雪崩击穿 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

8、） 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BVDSVT） 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） 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） 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

9、雪崩击穿加剧（正反馈） 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 措施：重掺衬底5. 源漏穿通效应（短沟器件） 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 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 易发生情况：短沟高阻衬底的MOSFET 措施：增大栅氧下方会发生穿通效应

10、的衬底浓度NB、增大VSB6. LDD结构的MOSFET 定义：轻掺杂漏结构（Lightly Doped Drain） 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 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 概念：x射线、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 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 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

11、。MOSFET的热载流子，从VDS产生的E获得能量 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 特点：是连续过程、易发生于短沟器件 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 3.1 JFET场效应管与MESFET1. MESFET基本结构 2. 肖特基二极管特点 反向饱和电

12、流数量级更高 多子器件，无扩散电容无少子存储效应，开关特性好3.2 JFET理想直流特性1. 内建夹断电压Vp0：沟道夹断时栅结总压降, Vp002. 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 近似公式：，IDSS为VGS=0时的沟道漏电流 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3.3 JFET等效电路和频率限制1. 提高fT的方法 减小栅长 降低栅电容 增加跨导 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 宽禁带，温度稳定性、辐射稳定性好 BV高，高功率 EC高，形成高二维电子气浓度 热导率高