信息来源: 时间:2022-7-14
现在考虑p型衬底,n型注入的器件。在所有的注入离子(施主)最终都留在表面这样一种假设下,这些离子只是是使单位面积有效界面电荷Q´o改变了(+q)M,其中M是有效剂量;因此VTO下移qM/Q´o。然而更实际一些地说,注入的分布看来还是如图6.2a所示。这一分布上还是用6.2b来近似[这里N()和NI表示施主浓度]。当NI>NAB时,表面和
之间的区域可以看成是均匀掺杂的n型区域, 其有效施主浓度为
现在,我们来分析具有上述类型注入的器件。这类器件的工作情况相当复杂,所以要求读者有耐心。
电荷及临界电压
首先再来考虑图6.1b的三端结构。在某一固定的VCB值和各个不同的VGB值的条件下,这个结构的栅下半导体中的状态示于图6.8;图中的细节问题不久就要说明。因为VCB是固定值,所以n注入区-p衬底结的耗尽区画成是固定宽度的。注意,为了面单起见,n+区边界周围的耗尽区没有画出。由于NDS不必比NAB大很多,因此可以利用附录C中得出的双边阶跃结来求该结海边的单位面积电荷的大小,我们不难得
式中单Φo为该结的自建电势,F=(2q∈s)。
我们将按由大到小的顺序讨论图6.8中VGB的影响。现在暂且忽略图中的Qn1,Qn2和Qn3。在图6.8d中,VGB假定大到足以把电子吸引到了表面;对nL型区域来说, 这是一种积累状态。如果把VGB减小到这样一个值,即所有电子都离开表面,使表面成为中性,这就是图6.8c所示的状态。假如VGB在上述值之下再减小,这将使Q´G-Q´O成为负的(Q´G是单位面积栅电荷,Q´O是单位面积有效界面电荷),为了平衡这一电荷,施主原子在表面必须耗尽,如图6.86所示。最后,随着VGB进一步减小,顶部耗尽区不断加宽,直到与pn结的耗尽区相遇为止,如图6.8a所示 , ·
令Q´T为表面之下的那一层内的单位面积电荷(既可由施主原子也可由电子产生)。 电荷平衡要求
注意,底部耗尽区内的电荷为Q´B -Q´B=0,因而上式中不出现Q´B。沿着从栅端,通过器件到衬底端这样一条路径可以写出电势平衡方程:
式中,ΨT为顶部耗尽区两端的电势差,如图6.86所示,ΦO+VCB为注入-衬底结的耗尽区两端的总电势降落,如图6.86所示[参看式(1.5.12)],ΦMS总是为栅和非注入P型衬底材料的功函数差引起的电势差。和式(3.2.4)一样,我们还有
为了求解四个未知量(Q´G,Q´T,Ψox和ΨT),还需有第四个方程。 如果分以下两种情况来考虑,则不难建立这个方程。
1、表面耗尽,图6.86。这里,QT由电离施主原子产生,所以是正的。这一状态与在p型衬底中已经遇到过的耗尽状态相反,因而图6.8b中所标的电势吵r带有负号。现在,我们可以利用类似于式(3.2.5a)这样的关系式,但是有些正负号必须适当地加以改变:
式中,F=(2q∈s)1/2。利用式(6.3.3)至(6.3.6),可得:
现在来讨论图6.8b中两个耗尽区之间的这一区域。由于电离杂质原子被符号相反的运动载流子所“补偿”(1.2节),所以这个区域是中性的。它对电荷平衡方程式(6.3.3)没有贡献。这个区域又是n型的,其中的有效施主浓度NDS雳由式(6.3.1)给出。如果这个三端结构成为晶体管的一部分,则上述区中的运动电子可对电流的导通作出贡献。为了今后的用途,现在来计算这些运动电子的单位面积的电荷Q´n1。如果不存在耗尽区,则运动电子数将等于有效的施主原子数。因此,Q´n1将等于-q,其中
=NDS
I。可是,现在有些施主原子已经耗尽。因为耗尽一个施主原子就减少一个电子,所以电子总数减少了。剩下的运动电子电荷为
现在,通过令Q´n1=0,并利用式(6.3.2)和(6.3.7)可以确定两个耗尽区相遇(图6.8a)时,VGB的值VGBP。所得到的表达式具有下面的形式:
式中
其中,VFB=ΦMS-Q´O/C´ox,以及
上式中的γ是同一p型衬底上的非注入器件的体效应系数。因此,从式(6.3.10)可以看出,夹断电压Vp随VCB的增加而增大的情形与非注入器件的阈值电压相似,只是这里的有效体效应系数γI,大于γ。
如果VGB增加到足够大,则表面耗尽区将会消失,如图6.8c所示。这时表面是中性的,Q´T=0,因此ΨT=0。利用这些观察结果和式(6.3.3.)至(6.3.5),可以得到相应的VGB值,记作VGBN:
式中
不难看出,VFBN实际上就是由栅,绝缘层和n型注入区(假定是均匀的)组成的这一结构的平带电压。
从迄今为止的分析可知,当VGB满足时,两个耗尽区之间存在一个非耗尽区,如图6.8b所示。当这个非耗尽区是晶体管的一部分时,它能导通电流。因为它位于表面之下,而不是紧挨表面,所以称它为埋沟。为了今后使用方便,我们把形成埋沟的条件表示为图6.8b中栅端和C端之间的电压。把式(6.3.15)中的VGB写成VGB=VGC+VCB,并利用式(6.3.9)和(6.3.13c),可得
在结束表面耗尽的讨论之前,附带说明一种不希望出现的特殊情况。对于给定的NI和VCB,I较大的器件将需要更负的ΨT,以达到图6.8a中所说明的夹断状态。如
I太大,则ΨT必须达到这样一个·值,即在实现夹断之前,就出现表面反型, 如图6.9所示。 (注意,注入是n型的,所以反型层由空穴组成。)一旦这一反型变为强反型,则表面势和顶部耗尽区的宽度就不会随VGB有明显地改变。和非注入器件中的情况一样,它们将被钉扎在某一值上。这样,通过将VGB变得更负来夹断器件就成为不可能了。这时,夹断只能依靠增加VCB来实现,也就是说,增加VCB,使底部的n注入区内的耗尽区不断加宽,直到它与顶部耗尽区被钉扎的边缘接触为止。为了避免发生上述问题,要求器件即使在VCB=0时也能夹断,并避免同时采用大剂量和高能量的注入。
2、表面积累,图6.8d。当VGB的值满足
或者表示为VGC,时,便出现图6.8d所示的情况。这里,Q´T由表面积累层中的运动电子产生。表面积累层的厚度很小,假定为无限小,因此,为了维持它所需要的电势降落可以忽略。这就意味着ΨT=0,因为此时没有直接位于积累层之下的耗尽区来产生任何附加的电势降落。
因此,在这种情况下,式(6.3.3)至(6.3.5)给出
为简单起见,我们将假设,当VGB一直低到VGB=VFBN+VCB时,这个公式都能成立。
除以上所述,运动电子也存在于整个非耗尽的n型材料之中,因为在n型区域内,现在只有一个耗尽区,所以这些电子的电荷将不由式(6.3.8)给出,而是有
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