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體表面產生反型層（導電溝道）所需要加的柵極電壓。對于n溝道E-MOSFET，當柵電壓使得p型半導體表面能帶向下彎曲到表面勢ψs≥2ψB時，即可認為半導體表面強反型，因為這時反型層中的少數載流子（電子）濃度就等于體內的多數載流子濃度（～摻雜濃度）；這里的ψB是半導體Fermi勢，即半導體禁帶中央與Fermi能級之差。閾值電壓VT包含有三個部分的電壓（不考慮襯偏電壓時）：柵氧化層上的電壓降Vox；半導體表面附近的電壓降2ΨB：抵消MOS系統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的因素主要是半導體Fermi勢ψB。當p型半導體襯底的摻雜濃度NA提高時，半導體Fermi能級趨向于價帶頂變化，則半導體Fermi勢ψB增大，從而就使得更加難以達到ψs≥2ψB的反型層產生條件，所以閾值電壓增大。
　　當溫度T升高時，半導體Fermi能級將趨向于禁帶中央變化，則半導體Fermi勢ψB減小，從而導致更加容易達到ψs≥2ψB的反型層產生條件，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-漏電壓無關）？
　　【答】E-MOSFET的溝道夾斷是指柵極電壓大于閾值電壓、出現了溝道之后，源-漏電壓使得溝道在漏極端夾斷的一種狀態。實際上，溝道在一端夾斷并不等于完全沒有溝道。當柵電壓小于閾值電壓時，則完全沒有溝道，這是不導電的狀態——截止狀態。而溝道的夾斷區由于是耗盡區，增加的源-漏電壓也主要是降落在夾斷區，則夾斷區中存在很強的電場，只要有載流子到達夾斷區的邊緣，即可被電場拉過、從漏極輸出，因此夾斷區不但不阻止載流子通過，而相反地卻能夠很好地導電，所以有溝道、并且溝道在一端夾斷的狀態，是一種很好的導電狀態，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，由于夾斷區基本上是耗盡區，則再進一步增加的源-漏電壓，即將主要是降落在夾斷區，這就使得未被夾斷的溝道——剩余溝道的長度基本上保持不變；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度，所以這時的源-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致的電流飽和；另一種是速度飽和所導致的電流飽和。
　　對于溝道夾斷的飽和，因為夾斷區的長度會隨著其上電壓的增大而有所增大，則使得剩余溝道的長度也將隨著源-漏電壓而減短，從而就會引起源-漏電流相應地隨著源-漏電壓而有所增大——輸出電流不完全飽和。不過，這種電流不飽的程度與溝道長度有關：對于長溝道MOSFET，這種夾斷區長度隨源-漏電壓的變化量，相對于整個溝道長度而言，可以忽略，所以這時溝道夾斷之后的源-漏電流近似為“飽和”的；但是對于短溝道MOSFET，這種夾斷區長度隨源-漏電壓的變化量，相對于整個溝道長度而言，不能忽略，所以溝道夾斷之后的源-漏電流將會明顯地隨著源-漏電壓的增大而增加——不飽和。
　　對于速度飽和所引起的電流飽和情況，一般說來，當電場很強、載流子速度飽和之后，再進一步增大源-漏電壓，也不會使電流增大。因此，這時的飽和電流原則上是與源-漏電壓無關的。
　　對于短溝道MOSFET，還有一個導致電流不飽和的重要原因，即所謂DIBL（漏極感應源端勢壘降低）效應。因為源區與溝道之間總是存在一個高低結所造成的勢壘，當源-漏電壓越高，就將使得該勢壘越低，則通過溝道的源-漏電流越大，因此輸出電流不會飽和。
　　總之，導致短溝道MOSFET電流不飽和的因素主要有溝道長度調制效應和DIBL效應。
　　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系？

　　【答】增強型MOSFET（E-MOSFET）的飽和源-漏電流表示式為飽和電壓(VGS-VT)就是溝道夾斷時的源-漏電壓。在MOSFET的轉移特性（IDsat～VGS）曲線上，E-MOSFET的飽和源-漏電流IDsat與飽和電壓(VGS-VT)的關系即呈現為拋物線。導致出現這種平方關系的原因有二：
　?、贉系缹挾仍酱?，飽和源-漏電流越大，飽和電壓也就越高；②電流飽和就對應于溝道夾斷，而夾斷區即為耗盡層，其寬度與電壓之間存在著平方根的關系，這就導致以上的平方結果。正因為MOSFET具有如此平方的電流-電壓關系，所以常稱其為平方率器件。
　　五、為什么一般MOSFET的飽和源-漏電流具有負的溫度系數？
　　【答】MOSFET的飽和源-漏電流可表示為

　　在此關系中，因為材料參數和器件結構參數均與溫度的關系不大，則與溫度有關的因素主要有二：閾值電壓VT和載流子遷移率μn。
　　由于MOSFET的閾值電壓VT具有負的溫度系數，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，即導致電流具有正的溫度系數。
　　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致MOSFET的增益因子也具有負的溫度系數。從而，隨著溫度的升高，遷移率的下降就會導致MOSFET的輸出源-漏電流減小，即電流具有負的溫度系數。
　　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MOSFET飽和電流的表示式即可得知：
　?、佼旓柡碗妷?VGS-VT)較大（即VGS>>VT）時，閾值電壓溫度關系的影響可以忽略，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系，即具有負的溫度系數（溫度升高，IDS下降）；②當飽和電壓(VGS-VT)較?。�即VGS～VT）時，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系，從而具有正的溫度系數（溫度升高，IDS也增大）。
　　而對于一般的MOSFET，為了獲得較大的跨導，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的溫度系數。也因此，一般的MOSFET都具有一定的自我保護的功能，則可以把多個管芯直接并聯起來，也不會出現因電流分配不均勻而引起的失效；利用這種并聯管芯的辦法即可方便地達到增大器件輸出電流的目的（實際上，功率MOSFET就是采用這種措施來實現大電流的）。
　　六、為什么MOSFET的飽和區跨導大于線性區的跨導？

　　【答】飽和區與線性區都是出現了溝道的狀態，但是它們的根本差別就在于溝道是否被夾斷。電壓對溝道寬度的影響是：柵極電壓將使溝道寬度均勻地發生變化，源-漏電壓將使溝道寬度不均勻地發生變化（則會導致溝道首先在漏極端夾斷）。容－源－電－子－網－為你提供技術支持