MOS管漏极耗尽区发生穿通效应后由漏区到源区的空间电荷限制电流

信息来源: 时间:2021-12-2

MOS管漏极耗尽区发生穿通效应后由漏区到源区的空间电荷限制电流

如果MOS场效应晶体管的漏源间距足够小,用以制作器件的衬底的电阻率足够高,与反偏压漏-衬结有关的耗尽区会随漏压增加而扩展,以致最后将同源-衬结的耗尽区联通。这个条件通常称为穿通,见图4.11所示硅n沟道MOS场效应晶体管截面图。

MOS管漏极耗尽区

在超出穿通需要不断增加正值的外加漏电压时,源区内的多数载流子,这种情形为电子,可以注入到耗尽沟道区,在此因受到高值横向电场的作用而偏转,并被收集在漏区。MOS管漏极耗尽区。假如漏-衬二极管为理想的阶跃结,对于用p型高电阻率衬底制成的漏-源间距为L的n沟道MOS场效应晶体管需要满足穿通的漏电压近似等于

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式中Vo是漏-衬二极管的接触电势,并假定与漏-衬结有关的耗尽区宽度远大于与源-衬结有关的耗尽区宽度。正如从(4.62)所见,对于沟道长度极小并采用高电阻率衬底制成的器件,有可能在外加漏-源电压等于零时发生穿通现象。

应该注意的是,(4.62)还未计及表面效应对于漏极耗尽区通过沟道区向源区扩展的影响。正如上面4.3.3节所提到的,对于给定的外加漏电压,硅表面附近的耗尽区宽度将受到绝缘栅结构存在的影响,并为栅压、氧化物厚度和Qss的函数。

为了研究漏电压超过穿通点时,MOS场效应晶体管漏-源导电机理的性质,讨论如图4.12所示的简化隙型半导体结构而对绝缘栅电极的影响略而不计是颇有意义的。

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这个结构由两个面积各为A的平行n+区组成,这两个n+区是在一个高阻p型(π)硅衬底上向相反的两面同时进行扩散而形成的,两个区的间距L非常小。为了进一步简化,假设间距L足够小,而且分隔两个高电阻率扩散区的电阻率足够高,以便在外加电压+VD等于零时该结构就已经发生穿通现象。因此在零偏压条件下,结构的能带图即如图4.13(a)所示。

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要注意的是n+区是简并掺杂,它的费密能级位于导带的边缘。在穿通条件下,耗尽区将延展到从y=0到y=L的整个间隙。耗尽区几乎全由电离受主所组成,而自由载流子浓度极小。通常在这个区域内自由载流子浓度非常低,在外加正电压+VD作用时,希望从漏极流向源极的电流非常小。不过,因为间距L相当小,电子注入耗尽区导带的可能性是必须考虑的。由于肖特基(Schottky)发射,电子可以从重掺杂的源区注入耗尽区。假如L足够小,它们能够到达漏极并在此被吸收。假如注入电子的过渡时间t小于它们在间隙区内的弛豫时间τ,亦即

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则可以明显地观察到有电流通过。式中υn为在y方向电子注入的速度,μn为其在间隙区内的迁移率。在L非常小时,电子也可能穿透位垒而以隧道效应通过耗尽区。在这两种情况下,注入到耗尽区的电子都将在y=0到y=L的间隙中产生大的负空间电荷区。在注入电极附近即y=0处电子浓度最大,而随间隙区y值的增加而减小。MOS管漏极耗尽区。因此,对整个结构施加正电压时,在注入条件下的能带图将如图4.13(b)所示。在空间电荷区y=0附近,存在着高浓度的负电荷,对于从“源”注入更多的电子将起限制作用;因此,贯穿间隙区的总的观测电流成为“空间电荷限制电流”。如果忽略条纹效应,那末总的漏-源空间电荷限制电流则可以假设等于由下式所表示的漂移电流

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(4.64)中的负号,说明在外加正值漏电压时,电流流向-y方向。现在,间隙区的单位体积的电子浓度n是y的函数。在稳态条件下,y方向的电流密度从y=0到y=L须为常数,这就要求在此区域内,电子浓度与电子速度的乘积为-常数。因为在y=0附近浓度n大,这里的电子速度就远小于y=L附近的电子速度,在y=L附近的n小。在此区域内电子速度是y的函数,且与y方向电场强度有关,其关系是

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式中image.png在外加正值漏电压+VD时,指向负y方向。image.png和υn在y=0时最小,且随y的增加而增加。

间隙区内的电场强度与单位体积电子浓度的关系式通过泊松方程即可得到于是

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将(4.67)代入(4.64)得到

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对方程(4.68)积分即可解出电场强度

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式中C为积分常数。由于在y=0处电子浓度大,所以在此处电场强度最小。如假设

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即可令常数C等于零[这里应该提一下,虽然在y=0处电场强度远远小于在漏区附近的数值,但不为零以维持来自源区的漂移电流。然而,对于大于几伏的漏极电压,由(4.70)表达的假设是极其充分的]。现在,对image.png是y=0到y=L积分就可得到漏极电压,于是

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取平方并整理(4.71)得到由于从源区注入电子而产生的空间电荷限制电流的莫特(Mott)和格尼(Gurney)关系式

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同理,对于具有p+漏源区的间隙型半导体结构,在外加负漏电压作用下,由于从源区注入空穴所产生的空间电荷限制电流近似等于

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式中μP是间隙区注入的空穴的迁移率。

再次考虑用很高的电阻率p型衬底制作的、小漏-源间距的n沟道MOS场效应晶体管的情况,非常明显在器件以足够高的外加漏极电压工作,以致发生穿通效应时,就可以观测到从漏区流向源区的空间电荷限制电流。因为如同(4.72)所给出的空间电荷限制电流依赖于漏极电压的平方关系,可以预期当沟道长度不断减小时,常规的MOS场效应晶体管从饱和类五极管特性转变为类三极管特性。对于这样的转变戈斯特(Geurst)6以及纽马克(Neumark)和里特纳(Rittner)7,8已经提出了理论上的论断,并已为许多研究者的实验观测所证实。MOS管漏极耗尽区。从图4.14到图4.16的照片中即可看到这种转变,这些照片表示三个p沟道MOS场效应晶体管的电特性,它们是用差不多相同的本征n型硅衬底制成漏-源间距不同,而其它参数保持不变的器件。这些器件以及类似的n沟道结构,如(4.72)和(4.73)分别预计的那样都严格地依赖于VD2。这个事实已由里奇曼(Richman)在他的报告中提出9。当电流较高时,平方律关系是很明显的,此时注入的载流子密度远远大于间隙区热产生载流子的本底浓度。

当外加漏电压足够高而引起穿通现象时,对于用中等电阻率衬底制作的沟道长度小的MOS场效应晶体管,也能观测到空间电荷限制电流。然而,假如外加漏压小于image.png,则没有空间电荷限制电流,观测到的电学特性只显示如上节所述的不完全的饱和漏极电流。对于用低电阻率衬底制作的,相对地说,沟道长度大的MOS场效应晶体管,image.png将非常大,一般在穿通之前发生漏极二极管的雪崩击穿。

假如MOS场效应晶体管在穿通之后工作,则栅压将能调制从漏区到源区的空间电荷限制电流。对于n沟道器件,外加栅压高于阈电压VT则将形成表面电子反型层,紧贴反型层下面的耗尽层将由漏区延展到源区。观测到的漏-源电流是由两部分组成的:流经反型层的一般漂移电流和流经耗尽层的(注入)空间电荷限制电流。不断增加负栅极电压,使表面反型层耗尽,从而将减小漂移电流分量。在栅极电压低于器件阈电压时,反型层完全耗尽只存在由漏区到源区的空间电荷限制电流。当继续增加外加栅压负值时,就会阻止由源区注入的电子流,观测电流继续下降。对于大的负栅电压,由于栅极电场的影响,所有表面空间电荷限制电流行将消失。然而,对于高电阻率衬底而言,漏耗尽区宽度相当大,大量的空间电荷限制电流经由衬底本体这一途径从漏区流向源区,如图4.17所示,这样的电流离硅表面足够远,实际上不受栅极电场的影响;因而无法使漏-源之间的电导完全截止。这点不难从Vs=0伏时的图4.14到图4.16所示的器件特性看出。

MOS管漏极耗尽区

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然而已观察到应用反衬源电势将会阻止空间电荷限制电流流经本身通道,并可使漏极电压在一个大得多的范围内,完全截止漏-源电导。9这个效应也可从图4.14到4.16中外加衬源电压为9伏时的特性曲线看出。对于用高电阻率衬底制作的MOS场效应晶体管而言,反向衬底偏压对漏-源电流漂移分量的影响非常小(见2.3节),但是在穿通之后却可对空间电荷限制电流有显著的影响。对于采用高电阻率衬底制作的器件,单位面积表面耗尽区所含的电荷密度是如此之小,以致施加反向衬源偏压使其值有较大的增加,对器件阈电压也没有明显的影响。

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另一方面,在穿通条件下,反偏压衬底将起到栅极的作用,可以阻碍从源区注入的载流子,因此,外加漏极电压在一个较宽的范围内都能够建立截止状态。对于用近乎本征P型硅衬底制作的n沟道MOS场效应晶体管,反向衬底偏压对观察的空间电荷限制电流的主要影响见图4.18。(注意以下事实是有意义的:即图4.18所示的衬-源电势等于-10伏的器件特性与放大因数近似等于5、板极电阻约为14千欧的真空三极管非常相似。)

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如前所指出的,当采用高电阻率衬底制作的器件其沟道长度不断减小时,可以预期常规的MOS场效应晶体管从饱和类五极管特性逐渐转变为空间电荷限制电流起支配作用的类三极管特性。然而戈斯特(Geurst)6应用绝缘栅场效应晶体管结构的简化的数学模型已经证明这样的转变在很大的程度上依赖于几何学的考虑,特别是戈斯特(Geurst6以及纽马克(Newmark)和里特纳(Rittner)7,8都已从理论上证明栅极绝缘物厚度和漏极-源极实际间距之比对于决定器件的观测的输出电导以及空间电荷限制电流对实际电流-电压特性的影响程度,可以起到非常重要的作用。纽马克(Neumark)和里特纳(Rittner)推广了戈斯特(Geurst)的理论,他们证明:当漏-源间距与栅极绝缘物厚度之比减小时,可以在较低的漏极电压下,看到向类三极管特性的转变,输出电导将会增加。这个预言的实验证明见图4.19,图中是同时制作在一块n型硅衬底上的两个p沟道MOS场效应晶体管的电流-电压特性,它们具有相同的沟道长度和宽度,但是栅极绝缘物的厚度却有很大的不同。可以看到,在漏极电流和漏极电压相同的范围内,栅极绝缘物比较薄的器件显示出饱和类五极管特性,而栅极绝缘厚得多的器件却显示出类三极管特性。

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