2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体体电荷效应

半导体体电荷效应

半导体体电荷效应

在MOS场效应管的电流-电压关系计算的时候，理想的条件下沟道下面的厚度近似不变，电荷密度QBm(x)基本上和位置无关。当UDS增加，尤其是当UDS接近于UDsat

时，沟道下面的耗尽层厚度明显不为常数，这时必须考虑体电荷变化的影响。表面开始强反型的表面势表面耗尽层内单位面积上电离受主的电荷密度沟道方向有电压降

当栅极电压较高时，发现载流子迁移率下降，这是因为UGS

较大时，垂直于表面的纵向电场也较大，载流子在沿沟道作漂移运动时与Si-SiO2界面发生更多的碰撞，使迁移率下降。经验数据表明，在低电场时是常数，电场达到0.5～1

105V/cm时，迁移率开始下降。然而,迁移率下降的结果表明：饱和工作区，漏-源电流随UGS的增加不按平方规律；线性工作区，对于UGS较大的情况下曲线汇聚在一起；已知：原因：迁移率随纵向电场的增大而降低的规律在线性工作区非常数表面迁移率效应使迁移率下降，使电流-电压特性变差。低电场时的迁移率电场下降系数通过氧化层的纵向电场表面强反型条件反型区电荷简单模型估算的电流偏高20%～50%，而且UDSat也偏大。通常在电流小于最大值的20%时，两种模型的结果基本相符衬底掺杂浓度降低后，体电荷影响减弱根据课本241页式子4-52的推理没有考虑体电荷的变化短沟道效应——L的影响

如果沟道长度缩短，源结与漏结耗尽层的厚度可与沟道长度比拟时，沟道区的电势分布将不仅与由栅电压及衬底偏置电压决定的纵向电场EX有关，而且与由漏极电压控制的横向电场EY也有关。短沟道效应——在沟道区出现二维电势分布以及高电场，会导致阈值电压随L的缩短而下降，亚阈值特性的降级以及由于穿通效应而使电流饱和失效；此时，缓变沟道的近似不成立，二维电场分布导致阈值电压随沟道的长度变化。沟道长度缩短，沟道横向电场增大时，沟道区载流子的迁移率变化与电场有关，最后使载流子速度达到饱和。当电场进一步增大时，靠近漏端处发生载流子倍增，从而导致衬底电流及产生寄生双极型晶体管效应，强电场也促使热载流子注入氧化层，导致氧化层内增加负电荷及引起阈值电压移动、跨导下降等1、短沟道MOS管的亚阈值特性实践发现：当沟道缩小时，由于漏沟静电反馈效应，阈值电压UT显著减小。标准N沟MOS制作工艺：衬底为（100）晶面的P型硅片，栅氧化层取一定的厚度，用X射线光刻的方法得到长度从1～10

m的多晶硅栅，它们的宽度均为70

m，漏和源区由砷离子注入及随后的退火工艺形成。根据注入能量及退火条件，可得到从0.25～1.56

m的不同结深，接触金属采用铝制作。显然：1、亚阈值电流与漏极电压UD无关，

2、图中表现为实线（UD=1.0V）与虚线（UD=0.5V）偏离，但当沟道长度从7

m变短为1.5

m情况，亚阈值电流与UD的关系变的明显。显然：1、当衬底掺杂浓度较低（）时，器件偏离长沟道特性也变的显著，即使在L=7

m时，实线与虚线也已开始分离。

2、当L=1.5

m时，长沟道特性几乎全部消失，器件甚至不能“截止”了，由图可以得出，沟道缩小时，UT

显著减小。2、最小沟道长度Lmin

当MOS场效应晶体管管氧化层厚度为100～1000Å，衬底掺杂浓度为1014～1017cm

3，结深为0.18～1.5

m，漏极电压直到5V，由此可得到下述表示具有长沟道亚阈值特性最小沟道长度

Lmin的经验公式：XS

+Xd为源-漏一维突变结耗尽区厚度之和当UD=0时，Xd与XS相等。测量结果及计算结果的