MOS管P-N结邻近对结导电电极雪崩击穿电压特性的影响

在决定MOS场效应晶体管漏区雪崩击穿电压时，最重要的考虑也许是栅电极与耗尽区的接近程度，这里的耗尽区存在于漏扩散区和处在夹断点以上的漏极电压下的沟道区之间。有代表性的是扩散结深为1到3微米范围内的MOS场效应晶体管结构，它的观察漏极雪崩击穿电压要比只考虑结的曲率效应时的预计值低得多，特别是比图4.23所给出的数据要低得多。并已注意到MOS场效应晶体管的漏二极管雪崩击穿电压的进一步降低与栅极绝缘物厚度有关，并已证明与漏区扩散边缘与其上的栅极间距也有直接的关系。（对于具有相当厚度栅极绝缘物的MOS场效应晶体管，图4.23所示数据与实际漏击穿电压之间得到很好的对应。）正如从图4.22（c）所见，由于栅电极的存在使漏耗尽区表面附近的电力线得到重新分布，产生一个场强极高的区域，并相应地降低了击穿电压¹⁸。假如栅电极接地，或任其浮置，都可以观察到击穿电压降低。已经证明，对于薄二氧化硅栅极绝缘物，在杂质浓度很宽的范围内衬底电阻率的变化，对于击穿电压的影响几乎可以忽略不计。

因为存在上述影响，常规的MOS场效应晶体管的典型漏极击穿电压约为25伏到40伏。这种早期击穿电压已经广泛用来提供“齐纳保护”，以防止MOS场效应晶体管薄栅极绝缘物受电压“峰值”或静电击穿的损害，与常规的扩散齐纳结构相反，利用早期击穿电压，即使衬底电阻率较高，也能在相当低的电压下提供有效的保护。为实现此种保护作用，只要将类似于图4.22（c）所示的结构，连同接地栅电极，与所有直接与栅电极联接的输入并联起来。对于所有大于雪崩击穿电压的输入电压，二极管将导通，这就可以限制外加在栅极上的最大电压。对所有低于雪崩击穿电压的输入电压，唯一的退化效应是稍稍降低栅极结构的输入阻抗。当然另外还有一个限制，这就是相反极性的栅电压不能再加于MOS场效应晶体管，因为与栅极并联的二极管的偏压将变为正向偏压，并开始导通。然而采用增强型器件的数字集成MOS电路无需用相反极性的栅压来产生“通一断”作用，因此这个限制就无关紧要。

栅电极与漏耗尽区的接近对于漏二极管观测击穿特性产生如此明显的影响；其原因最好通过考虑一定边界条件下静电场微分形式的麦克斯韦（Maxwell）方程来了解¹⁹。静电场强度的切向分量通过两个区域界面时必须连续，亦即

或

式中n是垂直于两个区域之间界面的单位矢量，分别是在第一和第二区域的电场强度，分别是在第一和第二区域的电场强度的切向分量。其次，通过两个区域界面的电场强度的法向分量的边界条件是

或

式中分别是第一和第二区域的介电常数，分别是这两个区域电场强度的法向分量，是界面上单位面积的总电荷密度。

最后，服从欧姆定律的导体的分量关系

式中J是单位面积电流密度，是电流通过导体的电导率，ε是该导体内的电场强度，在良导体中，电场强度必须趋向于零以维持一个有限的电流。因此，如果栅电极用高导电材料构成，并假设它是第二区，而其下的栅极绝缘物则假设为第一区，这时就有

或者，换言之，栅极绝缘物内的电场强度，在导电良好的栅极区的理想情况下，垂直于栅电极。

再次参考图4.22（b），不难看出，不存在栅电极时，可以预期硅表面附近耗尽区内的电力线的取向近似平行于表面。然而从上述理由可以得出结论：把栅电极置于紧靠耗尽区表面部分，电磁规律要求栅极绝缘物内的电力线垂直于栅电极附近的表面（如图4.22（c）所示），结果在紧贴栅电极下面的耗尽区内的电力线发生严重畸变和强化，相应降低了器件的雪崩击穿电压。当栅极绝缘的厚度增加时，电场的畸变量和强化程度下降，在将栅电极和漏耗尽区隔开的栅极绝缘物厚度无限大的极限情况，漏二极管的雪崩击穿电压趋于完全根据结曲率考虑而得出的预期值。

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