复旦-半导体器件-仇志军 第四章小尺寸MOSFET的特性

图１．１ｓ即ｔａ唧ｓＤｅｖｉ∞进行器件模拟的典型工具流程目前在集成电路虚拟制造技术中，比较流行的半导体器件物理特性模拟软件为ｓｙｎｏｐｓｙｓ公司的ｓ眈ｔａｕｍｓＤｅｖｉｃｅ软体。

它采用ＤＤ模型，同时提供了ＨＤ模型以供用户选择：并通过求解三组基本方程——泊松方程、电流连续性方程及载流子输运方程——获得器件模型的二维电势分布和载流子浓度分布，以此来预测在任何偏置条件下器件的电特性。

（１）泊松方程：半导体器件的电学特性通过求解该方程得到。

胛２矿＝１（ｐ—ｎ＋崂一Ｋ）一风（１．１）其中，Ｆ＝‘岛为介电常数，岛为真空介电常数，‘为相对介电常数；是本征费米势；Ｐ和”分别为空穴和电子浓度；Ⅳ：、．Ⅳ：分别表示电离施主和电离受主浓度；ｐ，为表面电荷密度。

（２）电子，空穴的连续性方程：描述在外加电场作用下，半导体内部载流子的扩散行为。

暑＝；寻．ｚ一以＝ｃ（％珥∞署＝吾寻．ｚ一％＝‘（％％纠＜１．２）其中，以和ｕ，分别为电子和空穴的复合率；以和．，，分别为电子和空穴的电流密度。

（３）电流密度方程：反映电子及空穴载流子浓度与准费米势间的关系。

（１３）Ｊ，＝ｑｐ。

Ｅ。

ｎ＋ｑＤ。

可，ＪＰ＝ｑ“ｐＥｐｐ—ｑＤｐ可ｐ其中，脚和脚分别为电子和空穴的迁移率；见和Ｂ为电子和空穴的扩散系数。

ｓ∞ｔａｌｌｒｌ】ｓＤ“ｉｃｅ通过求解上述３个基木方程来预言器件的行为和性能，也可当玺查耋！ｉ圭耋些篓耋袁４．３拟台后的响应表面多项式系数Ｎ０ｏｒｄｅｒｓＴｙｐｅＣｏｅｆｆｉｃｉ∞ｔＴｌｍｌ００００Ｃｏ哪ｔ０．４４２６２３０３９０９０５３２ｌ０００ｌｉｉ摊暂Ｏ．３３５９７０５３８１０９７５６Ｘｌ３ＯｌＯ０ｌｉｎｅａｒ一０．２５１７４４８４５２２３５７７Ｘ２４０ＯｌＯｌｉｎｅａｒＯ．０２９５４４０５４７７６４２２８Ｘ３５ＯＯＯｌｌｉｎｅａｒ－０．０４５８５７８８６８９０２４３８Ｘ．６２ＯＯＯａｘｉａｌ２·Ｏ．０９６３４６２３０９９５９３７３ｘ÷７０２ＯＯａｘｉａｌ２Ｏ．０４５２７８７６９００４０６４８ｘ：８００２０“ｉａｌ２Ｏ．０２４９１５９６９００４０６５７砭９０００２ａｘ瑚２Ｏ．０７３５８９６４４００４０６４４怒１０Ｉｌ００ｉｎｔｅｒａｃｎｏｎ１．０．１５０７８２７３２１６４６３４Ｘ１．ｘ２１ｌｌＯｌＯｉｎｔｃｔ：ａｃｔｉｏｎｌ一０．０２６１９１０８２１６４６３４２ＸｌＸ３１２ＩＯＯＩｉｎ胁ｃｔｉｏｎｌＯ．０４２３２４３３０３３５３６５８Ｘ１．Ⅺ１３０ｌｌＯｉｎｔｅｍｃｔｉｏｎｌ一０．００３０８４９５７ｔ６４６３４１５Ｘ２．竭１４Ｏ１０ｌｉｎｔｅｒａ融ｉｏｎ１．００１２０２５３６９６６４６３４１Ｘ２．Ⅺ１５００Ｉｌｉｎｔｅｆａｃｔｉｏｎ１．００２９６９４２６９６６４６３４ｌ№．Ｋ在完成响应表面建模之后，得到阈值电压和抑制穿通注入、阈值调整注入之问的响应表面如图４．８所示。

MOSFET的重要特性（1）为什么e-mosfet的阈值电压随着半导体衬底掺杂浓度的提高而增大？而随着温度的升高而下降？【答】e-mosfet的阈值电压就是使半导体表面产生反型层（导电沟道）所需要加的栅极电压。

对于n沟道e-mosfet，当栅电压使得p型半导体表面能带向下弯曲到表面势ψs≥2ψb时，即可认为半导体表面强反型，因为这时反型层中的少数载流子（电子）浓度就等于体内的多数载流子浓度（～掺杂浓度）；这里的ψb是半导体fermi势，即半导体禁带中央与fermi能级之差。

阈值电压vt包含有三个部分的电压（不考虑衬偏电压时）：栅氧化层上的电压降vox；半导体表面附近的电压降2ψb：抵消mos系统中各种电荷影响的电压降――平带电压vf。

在阈值电压的则表示式中，与参杂浓度和温度有关的因素主要就是半导体fermi势ψb。

当p型半导体衬底的参杂浓度na提升时，半导体fermi能级趋向于价带顶上变化，则半导体fermi势ψb减小，从而就使更加难以达到ψs≥2ψb的反型层产生条件，所以阈值电压减小。

当温度t升高时，半导体fermi能级将趋向于禁带中央变化，则半导体fermi势ψb 减小，从而导致更加容易达到ψs≥2ψb的反型层产生条件，所以阈值电压降低。

（2）为什么e-mosfet的源-凿电流在导线夹住之后显得更大、并且就是饱和状态的（即为与源-凿电压毫无关系）？【答】e-mosfet的沟道夹断是指栅极电压大于阈值电压、出现了沟道之后，源-漏电压使得沟道在漏极端夹断的一种状态。

实际上，沟道在一端夹断并不等于完全没有沟道。

当栅电压小于阈值电压时，则完全没有沟道，这是不导电的状态――截止状态。

而沟道的夹断区由于是耗尽区，增加的源-漏电压也主要是降落在夹断区，则夹断区中存在很强的电场，只要有载流子到达夹断区的边缘，即可被电场拉过、从漏极输出，因此夹断区不但不阻止载流子通过，而相反地却能够很好地导电，所以有沟道、并且沟道在一端夹断的状态，是一种很好的导电状态，则沟道夹断之后的输出源-漏电流最大。

MOSFET结构及其工作原理详解1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。

结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。

其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。

导电机理与小功率mos管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。

常用功率器件MOSFET的基础知识介绍我们都懂得如何利用来实现开关，但是，我们只能对其举行开关操作，而不能逐渐控制信号流。

此外，二极管作为开关取决于信号流的方向；我们不能对其编程以通过或屏蔽一个信号。

对于诸如“流控制”或可编程开关之类的应用，我们需要一种三端器件和双极型。

我们都听说过Bardeen & Brattain,是他们偶然之间发明白三极管，就像许多其它宏大的发觉一样。

结构上，它由两个背靠背的坚固现（这不是一笔大交易，早在Bardeen 之前，我们可能就是采纳相同的结构实现了共阴极），但是，在功能上它是彻低不同的器件，就像一个控制放射极流淌的“龙头”-操作龙头的“手”就是基极电流。

双极型三极管因此就是电流受控的器件。

场效应三极管（FET）尽管结构上不同，但是，提供相同的“龙头”功能。

差异在于：FET是受控器件；你不需要基极电流，而是要用电压实施电流控制。

双极型三极管出生于1947年，不久之后一对杰出的父子Shockley和Pearson就发明白（起码是概念）FET.为了与较早浮现的双极型“孪生兄弟”相区分，FET的三个电极分离被称为漏极、栅极和源极，对应的三极管的三个电极分离是集电极、基极和放射极。

FET 有两个主要变种，它们针对不同类型的应用做了最优化。

JFET（结型FET）被用于小信号处理，而（金属氧化物FET）主要被用于线性或应用。

他们为什么要发明功率MOSFET?当把双极型三极管根据比例提高到功率应用的时候，它显露出一些恼人的局限性。

的确，你仍然可以在洗衣机、空调机和电冰箱中找到它们的踪影，但是，对我们这些能够忍受一定程度的家用电器低效能的普通消费者来说，这些应用都是低功率应用。

在一些UPS、电机控制或焊接中仍然采纳双极型三极管，但是，它们的用途事实上被限制到小于10KHz的应用，并且在整体效率成为关键参数的技术前沿应用中，它们正加速退出。

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小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性研究作者：王成刚来源：《科学导报·学术》2020年第70期【摘要】伴随着MOSFET尺寸的缩小，栅氧化层的厚度不断减小，栅极漏电流迅速增加。

高k栅介质取代传统的SiO2后可以较为有效的将栅极漏电减小，因而成为了现在研究比较热点的问题。

文章就小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性进行相关的研究和分析。

【关键词】小尺寸高k栅介质;MOS器件;栅极漏电特性前言：小尺寸介质MOS器件是一种半导体元件，其内部具有非常规整的结构，和稳定且可加工的特性，使得它在漏电流作用下泄漏时有更大泄露速率。

由于绝缘子存在于电极表层中，所以极易被氧化而老化、脱落。

文章针对小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性进行研究，在器件物理基础上，分析了量子效应的影响，给出了具体的泊松方程边界条件，应用自洽的方法求解一维薛定谔与二维泊松方程，精确的计算出来载流子浓度分析布以及量子化能级等。

1、栅极漏电的研究意义在日常生产生活中，绝大多数的金属制品都是利用栅极泄漏来实现漏电，例如铜铝薄膜、印刷电路板等。

而随着科技水平和制造工艺要求不断提高，对材料科学研究力度加大，人们一直致力于半导体元件器件型腔介质MOS器件正负零电压测量系统研制成功并应用于生产领域中。

但在实际应用过程之中，该系统仍存在诸如精度不高、寿命短、稳定性差等问题，使之难以实现大规模批量生产，因此需要设计出MOS器件极漏电检测系统。

该装置采用了低频、宽禁带法和差分放大倍增等方法对传感器输出的信号进行有效分析，并且通过将测量值与理论值加以对比，最终得到阻性电压，从而实现零泄漏。

采用高k材料代替传统的栅介质怎样能够有效的减小栅极漏电电流以及如何提升高k栅氧化层的制备质量一减小栅极漏电流，这些都是具有很大的研究价值和意义的。

2、栅极漏电流的研究概况近年来，对于各种各样的高k栅介质材料的研究也是越来越广泛。

当前，世界有关于高k 栅介质材料的研究已经有了很多的报道。