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              MOS器件的閾值電壓定義及分析

              信息來源: 時間:2020-10-22

              MOS器件的閾值電壓定義及分析

              MOS器件的閾值電壓

              1、閾值電壓VT 

              所謂MOS器件的閥值電壓,是指器件的漏源剛好導通時的柵電壓。這實際上要滿足Si表面達到強反型條件,即表面勢image.png。MOS閾值電壓。那么究竟要加多大的柵電壓才能滿足強反型條件呢?如果源極接地,這里的柵電壓就是指柵源電壓VGS。

              由前面的分析知道,一個實際的MOS器件要達到強反型,首先要建立平帶條件。必須在柵極上加一個電壓,以抵消由于功函數差及有效表面電荷對能帶的影響,使能帶變平。這個平帶電壓,由(1-18)與(1-20)兩式之和給出,即:

              image.png

              在平帶的基礎上,還必須再在柵上施加一個電壓,以達到強反型條件,這個電壓(1-1)式給出:

              image.png

              這里,

              image.png

              所以,

                                                       image.png

              image.png稱為本征閥電壓,即理想MOS器件的閾值電壓。image.png為空間電荷區中單位面積的電荷量。MOS閾值電壓。對于N型材料,image.png為正值,對于P型材料,image.png為負值。

              將(1-21)和(1-22)兩式相加,即得到MOS器件的閾值電壓的表達式:

              image.png

              (1-23)式是通過分析N溝道MOS系統得來的,但它是一個普遍公式,也適合于P道MOS器件。對于不同的材料,閥值電壓式中各個因素取值的正負是不同的,可歸納于表1-2中。

              image.png

              由表可見,對于N型襯底的P溝道MOS器件(1-23)式中四項符號一致(image.png一般小于零),可以理解為四項取絕對值相加,并在和數之前加負號。因此N型襯底總是做出增強型器件,其閥值電壓VT是負的。而對于N溝道MOS器件,由于P型襯底的image.png,所以有可能出現下面的情況,即:

              image.png

              在這一情況下,閥值電壓為負值,說明溝道已經形成,成為耗盡型器件。在生產N溝道增強型MOS晶體管時,往往容易出現表面耗盡,所以必須采取有效措施,例如襯底的電阻率一定要取得很低(一般至少在image.png以下),在工藝中盡量降低氧化層中的有效正電荷密度,使上述不等式的不等號換向,即:

              image.png

              這樣才能得到VT為正值的N溝道增強型器件。

              對于增強型器件,閾值電壓總是隨氧化層厚度增加而增加,對耗盡型器件,實際碰到的情況,也是如此。

              下面舉例說明有關閥值電壓中各項的典型數據。MOS閾值電壓。常見P溝道MOS器件的閾值電壓為-4V,N型襯底的摻雜濃度約為image.png氧化層厚度image.png根據上面數據,先查圖1-10得image.png再查圖1-18得image.png,然后算得image.pngimage.png

              從該例子可看到一般P溝道MOS晶體管的閱值電壓主要由image.png三項決定??梢娨r底電阻率的選擇及工藝上對image.png的控制是決定閥值電壓的重要因素。

              2、短溝道效應對VT的影響 

              上面我們在導出VT的公式時,所考慮MOS晶體管的溝道是),漏、源擴散區耗盡層對VT的影響就不能再被忽略了。一般說來,短溝道MOS晶體管的VT要比與溝道MOS晶體管的VT小。在短溝道的情況,VT不僅與image.png襯底濃度N及image.png有關,而且還與溝道長度L和漏、源擴散區的結深image.png有關,圖1-15表示MOS晶體管VT與溝道長度L的實驗關系曲線??梢?,溝道愈短,VT減小的速率愈快。造成這種影響的原因在于溝道耗盡層中電離雜質電荷密度image.png對VT的貢獻減小了。MOS閾值電壓。在長溝道的情況下,可以認為在溝道L下面的全部image.png都對VT有貢獻,而在短溝道的情況下,由于溝道兩端的源、漏擴散區對溝道內靜電勢分布的影響增強,源漏擴散區中耗盡層電離雜質電荷的電力線,將有一部分終止在溝道下面的耗盡區,如圖1-16所示。這樣,就削弱了image.png對VT的貢獻。也可以認為溝道下面耗盡區電離雜質image.png減少了,故使VT減小。

              理論計算,短溝道MOS晶體管的閥值電壓Vr為:

              image.png

              其中image.png為源漏擴散區的擴散深度,L為溝道長度,image.png為耗盡區的寬度。從(1-25)式可見,要減弱短溝道MOS品體管溝道長度對VT的影響,必須減小漏、源擴散區的結深

              image.png,或增大襯底雜質濃度N。

              3、背面柵數應對VT的影響

              MOS晶體管作為單管使用時,它的源和襯底連接在一起,共同接地。但當MOS晶體管構成電路時,有些管子的源和村底不直接相連,例如在

              襯底和源極之間加上一定的偏置電壓Vas。如圖1-17所示。

              image.png

              當源極與襯底之間加偏壓后,使源擴散區和襯底之間的PN結處于反向偏置。這樣,溝道要受到襯底偏置電壓的調制。這種效應通常稱為“背面柵”效應,或“襯底偏置效應”。

              從圖1-17中看到,反向偏置電壓image.png是通過源極加在溝道和襯底之間的,因為溝道是很薄的,可看作為單邊突變PN結的N+區,反向偏置的結果會使溝道和襯底間的耗盡層向襯底內部展寬,耗盡層中的電荷增多。由于要保持MOS系統的電中型條件,必定會減少溝道中的電子電荷,使溝道變得更薄。MOS閾值電壓。如果要維持原來的溝道寬度,就必須在柵極上積累更多的正電荷,以平衡耗盡層中增加的負電荷。這就意味著要增加閥值電壓image.png

              image.png溝道變薄,甚至消失。這就說明,偏置電壓image.png的絕對值越大,閥值電壓的增加量image.png也越大。圖1-18表示溝道隨image.png變化的情況。其中(a)為image.png溝道未受到調制;(b)為image.png

              image.png的大小,可以從閥值電壓的表示式求得。由于源極和襯底加了反向偏置電壓以后,能帶的彎曲程度愈甚,空間電荷區中的電荷密度增加,其數量由下式給出:

              image.png

              于是閥值電壓的表達式可改為:

              image.png

              將(1-27)式減去(1-23)式,得到:

              image.png

              如果是P溝道MOS管,當襯底與源極之間存在偏壓image.png時,如圖1-17(b)的情況,閥值電壓的增量為:

              image.png

              根據以上分析知道:

              對于N溝道MOS晶體管,因為image.pngimage.png所以得到image.png對于P溝從(1-28)、(1-29)兩式表明,image.png與襯底濃度和偏置電壓的大小有密切關系。如圖1-19所示。道MOS晶體管,因為image.png所以得到image.png

              image.png

              在工程計算中,為了方便起見,閥值電壓的增量往往采用近似表達式:

              image.png

              式中的為襯底偏置效應常數,它隨襯底摻雜濃度而變化,其典型值為:對于N溝道MOS晶體管,image.png對于P溝道MOS晶體管,image.pngimage.png最后,還得對VT著重說明一點,上面所說的MOS器件的閾值電壓閥值電壓VT,正好是形成溝道時的柵電壓,與管子的幾何尺寸無關。MOS閾值電壓。但在生產實際中,VT往往定為漏源電流為image.png時所施加的柵電壓,這和上面講到的不完全一樣。因為image.png時定出的閥值電壓往往還在一定程度上依賴幾何尺寸,所以生產中測出來的閥電壓,要比上面所講的閥電壓大些。

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