1、西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 第四章 MOS场效应晶体管 非理想效应,场效应器件物理,1,4.3 MOSFET 亚阈值电流: 定义,亚阈值电流,理想MOSFET：ID=0 实际MOSFET：存在亚阈值电流Idsub 亚阈区 ， VGS稍小于VT ，表面势： 半导体表面处于弱反型区 弱反型沟道 ， 形成亚阈值电流IDsub IDsub形成机制,2,4.3 MOSFET 亚阈值电流: 形成机制,n沟道MOSFET,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,衬 。

2、底0势能参考点,3,4.3 MOSFET 亚阈值电流:对器件的影响,亚阈电流表达式: ID与VGS有关 ， 且随VGS指数增加 ，若VDS4（kT/e） ， 最后括号部分将近似等于1 ， IDsub近似与VDS无关,半对数坐标中亚阈电流与VGS之间呈现直线,4,4.3 MOSFET 亚阈值电流:对器件的影响,亚阈值摆幅S（Subthreshold swing）：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量 ， S=dVGS/d(lgIDsub) S也是半对数亚阈特性曲线斜率的倒数 两点法求斜率：(VGS=VT, Ion) ， (VGS0, 10-10(Ioff)） k= (lgIon- lgIoff) /(VT VGS0 。

3、), S=1/k S小好？大好？ Ion变为Ioff， 器件关断 k越大（S越小） ， VGS的降低能快速关断器件 S是量化MOS管如何随栅压快速关断的参数 亚阈值摆幅S影响因素 S(Cox+Cdep+Cit)/Cox； Cit:界面陷阱电容 减薄栅氧厚度（Cox增大）、降低衬底掺杂（Cdep减小）、减小表面陷阱密度（Cit减小,5,4.3 MOSFET 亚阈值电流:对器件的影响,开关特性变差： VGS略低于VT时 ， 理论上器件关闭 由于存在亚阈电流 ， 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IDsub存在 ， 静态功 。

4、耗增大 。
I Dsub只有纳安到微安量级 。
但大规模IC中包含有上千万甚至数亿个器件 ， 总的 I Dsub可能达到数个安培. 减小I Dsub影响的措施 增大COX ， 减小亚阈值摆幅 ， 使器件可以快速关断 提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏 ， 使VT增加 ，从而使VGSVT. VGS下器件脱离弱反型 ， 处于耗尽区 ， 无I Dsub， 静态功耗大幅降低,6,4.3 MOSFET 亚阈值电流的应用,亚域区的利用： VGS比VT小 ， 存在Idsub, ， 可认为器件导通 与正常导通相比 ， ID小 ， 功耗小 。
亚域区内栅压变 ，Idsub变 ， 可实现放大 低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区 。
利 。

5、用亚阈特性进行微弱信号放大的应用研究正得到越来越大的重视,7,4.3 MOSFET 沟道长度调制效应: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, 沟道长度调制效应,8,4.3 MOSFET 沟道长度调制效应:模型,沟道长度调制效应系数： 不是一个常数 ， 和沟长有关： 放大应用时 ， 影响电压放大倍数的参数：饱和区输出电阻 模拟放大电路的MOSFET器件的沟道长度 ， 一般较大：Ro大 数字集成电路MOSFET沟长 ， 一般取工艺允许的最小值： 速度快、面积小、功耗低,利用前面L模型得出的I-V公式 ， 繁琐不易计算,不适合 。

6、于器件模型 考虑沟道长度调制效应的IV常用表达式：电流随着VDS的升高而上升,9,4.3 MOSFET 迁移率变化,沟道中的电场 由VDS形成的沿沟道方向的电场分量 由VG形成的与沟道垂直方向的电场分量 对载流子迁移率的影响 ， 随着电场的增强 ， 变得都不可忽略,10,4.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(1,表面散射：表面电荷散射和 表面不平整散射,11,4.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(2,表面迁移率（记为eff）与反型层中垂直 方向的电场Eeff关系： 0和E0为实验曲线的拟合参数 0为低场表面迁移率 E0为迁移率退化时的临界电场 Eeff反型层中所有电子受到的平均 。

7、电场 ，与tox关系不明显 ， 取决于氧化层下方 电荷： eff受温度影响大：晶格散射,12,4.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(3,VGS增加 ， 反型层电荷有效迁移率降低 ， 漏电流、跨导随栅压增 加而增加的趋势变缓,对漏电流、跨导的影响,13,4.3 MOSFET 迁移率变化:Si的情形,临界电场强度,饱和漂移速度,E较低时 ，为常数 ， 半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比 E较高时 ， 达到一临界电场EC时 ， 载流子漂移速度将达到饱和速度 vSat ,使载流子的下降,14,4.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(2,有效迁移率（记为）常用经验公式： 载流子速度饱和 ， VDS ,载流 。

8、子v 不变,电流饱和： 若为常数 ， VDS ，E,v， 直到漏端夹断 ，发生夹断饱和 速度饱和时 ， 器件还未发生夹断饱和 ，属于提前饱和,15,4.3 MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应,饱和漏源电流与栅压成线性关系 饱和区跨导与偏压及沟道长度无关 截止频率与栅压无关,16,4.3 MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应,VGSVT0(较小)：强反型区 ， 器件易发生夹断饱和 ，ID与VGS 平方关系 ， 中电流 ，gm与VGS线性关系 VGSVT0(很大)：器件很难发生夹断饱和 ， 易发生速度饱和 ，大电流 ， 但跨导饱和 。

来源：(未知)

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标题：半导体器件物理-MOSFET3|半导体器件物理-MOSFET3