與襯底反型的注入MOS晶體管工作器件特性

現在我們來考慮圖6.10所示的一個完整的晶體管，并設VDB>VSB(VDS>0)。用VCB表示溝道中性部分處的一點與非注入襯底之間的有效反向偏壓。這樣，我們便能直接應用上面導出的公式。VCB的值從源端的VSB增加到漏端的VDB。因此，np結的耗盡區將從源到漏逐漸變深。根據端電壓相對值的不同，可以區分為幾個工作區，下面對它們進行討論。

首先假定埋溝存在于源的旁邊；根據式(6.3.16)可知，這就要求VP(VSB)<VGS<VFBN。由于VCB從源到漏漸增，所以VP(VCB)也逐漸增加，并企圖驅使溝道漏端夾斷。如果漏區的電勢實際上沒有大到足以引起夾斷，則溝道看來如圖6.10a所示，其中陰影部分表示耗盡區。如果漏區電勢超過某一確定值，則溝道將在漏區夾斷，如圖6.10b所示。圖6.10a和b所示的兩個工作區分別稱為非飽和區及飽和區；兩個區域的過渡點上VDS的臨界值記作表V′DS。飽和時，假定電子從夾斷溝道的末端(夾斷點)通過耗盡區移動到漏區，具有

  與非注入器件在飽和時類似的機制。和對非注入器件的相應的簡化描繪相類似，這里可以證明，如果圖6.10b中的溝道較長，則飽和時的漏端電流將實際上是恒定的，且等于非飽和電流當VDS趨于V′DS時的值。這種情況下，典型的ID-VDS特性用圖6.11中下面的那條曲線來表示。對于ID的定量討論將在以后進行。

現在假定VGB大到足以在源區引起表面增強。從式(6.3.17B)可知，這就要求VGS>VFBN。如果VDS較小，則表面增強可存在于整個溝道長度上，如圖6.10c所示。然而，隨著漏區電勢的升高，耗盡區加寬，漏區附近的∣Q′B∣增加。根據式(6.3.18)(其中的VCB＝VDB)可知，那里的∣Q′n1∣將要減少，并將最終消失。于是溝道的漏端將呈現表面耗盡，如圖6.10d所示。  從式(6.3.16)可知，若要發生這種情況，必須有VGD<VFBN。若把GD寫成VGD=VGS-VDS，則上述要求給出條件VDS>VGS-VFBN。最后，進一步增加漏區的電勢，可使Vp(VDB)增加到溝道成為如圖6.10e所示的夾斷時的值。相應的VDS的臨界值記作V′DS2。對應于圖6.10c，d，e和6所示情況的ID-VDS特性曲線用圖6.11中上面的那條曲線來表示。

現在來說明怎樣計算總結在圖6.10中各個不同工作區的漏端電流。首先考慮對應于圖6.10中a，c和d等情況下的非飽和工作。這里不能利用式(4.4.13)，因為現在不存在反型層。然而，式(4.4.13)中的Q′I這個角色現在可由單位面積總運動電荷Q′n釆擔任。從而有

    現在我們來分別討論這三種非飽和情況(圖6.10和6.11)。

1、表面耗盡平。

在示于圖6.10a的這種情況下，單位面積總運動電荷Q′n1由式(6.3.8)給出。因此，式(6.320)變成：

式中μB是n區的體內遷移率。

2、表面積累，圖6.10c。這里Q′n由表面電荷Q′n2和n區體內未耗盡部分的運動電子所形成的電荷Q′n2所組成，前者用式(6.3.18)給出，后者由式(6.3.19)給出。因此，式(6.3.20)變成：

式中μB是n表面遷移率。

2、表面積累

圖6.10c。這里Q′n由表面電荷Q′n2和n區體內未耗盡部分的運動電子所形成的電荷Q′n3所組成，前者用式（6.3.18）給出，后者由式（6.3.19）給出。因此，式（6.3.20）變成：

式中μs是n區的體內遷移率。

3、表面積累/耗盡

這種情況示于圖6.10d。令VCBI為對應于溝道中這樣一點的VCB值，如圖所示，經過這一點，表面狀態從積累變成耗盡。在這一點上，Q′T=0，并從式（6.3.18）可得

    這一點之左，Q′n=Q′n2+Q′n3，這一點之右，Q′n=Q′n1。因此，式(6.3.20)給出

    把已經導出的Q′n1，Q′n2和Q′n3的表達式代入上式，便可得到非飽和電流IDN通常令dIDN/dVDs=0，或者令溝道漏端的總運動電荷等于零可以求得V′DS的值。相應的公式推導過程是復雜的，但是和以前一樣，所得到的表達式卻可通過適當的級數展開加以簡化。簡化后的公式列入表6.1。

    和以前一樣，對表達式進行若干改進是可能的。例如，可以定義一個有效遷移率，并使它與VGS的依賴關系類似于4.8節中的那種方式。體內遷移率常常取得與VGS無關。對V′DS略加修正，以保持ID-VDS曲線斜率的連續性，這樣便可計及溝道長度調制效應。這些器件的飽和區在文獻中尚未很好地加以描述。有時采用5.2節中的公式，并用經驗方法調整它們的參數。最后，還需要進行經驗修正，以保證在一些突變點上電流對每一端電壓的導數都是連續的。

    當VDS固定，但是很小時，ID與VGS的關系曲線在圖6.12a中用虛線表示。在埋溝條件(Vp≤VGS<VFBN)下，器件的特性與非注入器件的特性定性相似。然而，雖然μB大于表面遷移率，但是表征表面耗盡工作(參看表6.1)的量μ_BC′ox/（1+σ）卻可小于非注入器件的對應量μ_BC′ox。所以會出現這一現象，直觀地說是因為與非注入器件情況相比,這里的溝道更加遠離柵，如圖6.10a所示，因此柵的影響略有減小。一旦發生表面積累，但是有(VGS≥VFBN)，在表面就出現溝道電荷隨VGS變化的情況，因此斜率只由表面遷移率和氧化層厚度來確定。圖6.2a中的實踐表示一個實際器件的ID特性，在這種情況下當然看不出有突變點?？梢钥吹疆擵GS較高時，遷移率有所下降(4.8節)。當VGS很小時，ID特性與直線之間的偏差是由于擴散電流而引起的，我們所介紹的簡單模型沒有計及擴散電流。這一現象使人想起非注入器件中的弱反型。

    對于飽和時的與VGS的關系曲線，模型再一次預測存在斜率變化效應，雖然并不明顯，如圖6.12b虛線所示。然而，斜率略微增大的趨勢被遷移率隨VGS增大而下降的影響所抵消，最終的特性如實線所示，這一特性的很大一部分實際上是直線。因此，像式(4.4.30b)那樣的飽和公式還可用于這類情況，形式為

現在只是比例常數K較非注入器件的略有減小，以及當VSB較低時，VT為負(近似等于Vp)。已經證明，對于有些耗盡型器件來說，式(6.3.25)是精確的，甚至比對于同一襯底上的增強型器件更為精確。事實上，在一些電路分析的計算機程序中，就利用包括非飽和及飽和兩種情況的完整公式(4.4.30)來模擬有注入的耗盡型器件，不過此時VT用負值而已。然而，根據器件的細節情況不同，這些近似可能引起嚴重的誤差。也有人提出了一種類似于式(4.17）的^3/2次冪的模型。

    應當注意，表6.1中的模型并不適用于具有圖6.9所說明的那種問題的器件。當VSB丑較小時，即使VGS變得很負，這類器件中溝道仍然存在。于是可以觀察到如圖6.13所示特性。通常，這類器件是要避免的。

    我們已經介紹的模型不適用于當兩個耗盡區幾乎相遇的時候。這里有兩個原因：一是因為此時“突變”耗盡區邊緣的假設不適用了，二是因為此時擴散電流變得重要起來了。根據VSB值的不同，兩耗盡區“相遇點”出現在不同的深度處，這一事實將同時影響這一點離開柵的距離和這一點(大部分電流流過的地方)的有效注入濃度。因此，在這部分工作范圍內，ID對VSB的依賴關系是復雜的。對于耗盡型器件，已經有人提出了一種適用于所有工作區的通用模型(類似于4.3節的電荷薄層模型)。短溝道效應也已經觀察到了，它們與非注入器件的短溝道效應定性相似。

p襯底上的n型注入通常用于制作耗盡型器件。然而，如果開始時使VFB足夠的高，經過降低閾值電壓之后，·也可能最終制成增強型器件。   

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