与衬底反型的注入MOS晶体管工作器件特性

现在我们来考虑图6.10所示的一个完整的晶体管，并设VDB>VSB(VDS>0)。用VCB表示沟道中性部分处的一点与非注入衬底之间的有效反向偏压。这样，我们便能直接应用上面导出的公式。VCB的值从源端的VSB增加到漏端的VDB。因此，np结的耗尽区将从源到漏逐渐变深。根据端电压相对值的不同，可以区分为几个工作区，下面对它们进行讨论。

首先假定埋沟存在于源的旁边；根据式(6.3.16)可知，这就要求VP(VSB)<VGS<VFBN。由于VCB从源到漏渐增，所以VP(VCB)也逐渐增加，并企图驱使沟道漏端夹断。如果漏区的电势实际上没有大到足以引起夹断，则沟道看来如图6.10a所示，其中阴影部分表示耗尽区。如果漏区电势超过某一确定值，则沟道将在漏区夹断，如图6.10b所示。图6.10a和b所示的两个工作区分别称为非饱和区及饱和区；两个区域的过渡点上VDS的临界值记作表V´DS。饱和时，假定电子从夹断沟道的末端(夹断点)通过耗尽区移动到漏区，具有

  与非注入器件在饱和时类似的机制。和对非注入器件的相应的简化描绘相类似，这里可以证明，如果图6.10b中的沟道较长，则饱和时的漏端电流将实际上是恒定的，且等于非饱和电流当VDS趋于V´DS时的值。这种情况下，典型的ID-VDS特性用图6.11中下面的那条曲线来表示。对于ID的定量讨论将在以后进行。

现在假定VGB大到足以在源区引起表面增强。从式(6.3.17B)可知，这就要求VGS>VFBN。如果VDS较小，则表面增强可存在于整个沟道长度上，如图6.10c所示。然而，随着漏区电势的升高，耗尽区加宽，漏区附近的∣Q´B∣增加。根据式(6.3.18)(其中的VCB＝VDB)可知，那里的∣Q´n1∣将要减少，并将最终消失。于是沟道的漏端将呈现表面耗尽，如图6.10d所示。  从式(6.3.16)可知，若要发生这种情况，必须有VGD<VFBN。若把GD写成VGD=VGS-VDS，则上述要求给出条件VDS>VGS-VFBN。最后，进一步增加漏区的电势，可使Vp(VDB)增加到沟道成为如图6.10e所示的夹断时的值。相应的VDS的临界值记作V´DS2。对应于图6.10c，d，e和6所示情况的ID-VDS特性曲线用图6.11中上面的那条曲线来表示。

现在来说明怎样计算总结在图6.10中各个不同工作区的漏端电流。首先考虑对应于图6.10中a，c和d等情况下的非饱和工作。这里不能利用式(4.4.13)，因为现在不存在反型层。然而，式(4.4.13)中的Q´I这个角色现在可由单位面积总运动电荷Q´n釆担任。从而有

    现在我们来分别讨论这三种非饱和情况(图6.10和6.11)。

1、表面耗尽平。

在示于图6.10a的这种情况下，单位面积总运动电荷Q´n1由式(6.3.8)给出。因此，式(6.320)变成：

式中μB是n区的体内迁移率。

2、表面积累，图6.10c。这里Q´n由表面电荷Q´n2和n区体内未耗尽部分的运动电子所形成的电荷Q´n2所组成，前者用式(6.3.18)给出，后者由式(6.3.19)给出。因此，式(6.3.20)变成：

式中μB是n表面迁移率。

2、表面积累

图6.10c。这里Q´n由表面电荷Q´n2和n区体内未耗尽部分的运动电子所形成的电荷Q´n3所组成，前者用式（6.3.18）给出，后者由式（6.3.19）给出。因此，式（6.3.20）变成：

式中μs是n区的体内迁移率。

3、表面积累/耗尽

这种情况示于图6.10d。令VCBI为对应于沟道中这样一点的VCB值，如图所示，经过这一点，表面状态从积累变成耗尽。在这一点上，Q´T=0，并从式（6.3.18）可得

    这一点之左，Q´n=Q´n2+Q´n3，这一点之右，Q´n=Q´n1。因此，式(6.3.20)给出

    把已经导出的Q´n1，Q´n2和Q´n3的表达式代入上式，便可得到非饱和电流IDN通常令dIDN/dVDs=0，或者令沟道漏端的总运动电荷等于零可以求得V´DS的值。相应的公式推导过程是复杂的，但是和以前一样，所得到的表达式却可通过适当的级数展开加以简化。简化后的公式列入表6.1。

    和以前一样，对表达式进行若干改进是可能的。例如，可以定义一个有效迁移率，并使它与VGS的依赖关系类似于4.8节中的那种方式。体内迁移率常常取得与VGS无关。对V´DS略加修正，以保持ID-VDS曲线斜率的连续性，这样便可计及沟道长度调制效应。这些器件的饱和区在文献中尚未很好地加以描述。有时采用5.2节中的公式，并用经验方法调整它们的参数。最后，还需要进行经验修正，以保证在一些突变点上电流对每一端电压的导数都是连续的。

    当VDS固定，但是很小时，ID与VGS的关系曲线在图6.12a中用虚线表示。在埋沟条件(Vp≤VGS<VFBN)下，器件的特性与非注入器件的特性定性相似。然而，虽然μB大于表面迁移率，但是表征表面耗尽工作(参看表6.1)的量μ_BC´ox/（1+σ）却可小于非注入器件的对应量μ_BC´ox。所以会出现这一现象，直观地说是因为与非注入器件情况相比,这里的沟道更加远离栅，如图6.10a所示，因此栅的影响略有减小。一旦发生表面积累，但是有(VGS≥VFBN)，在表面就出现沟道电荷随VGS变化的情况，因此斜率只由表面迁移率和氧化层厚度来确定。图6.2a中的实践表示一个实际器件的ID特性，在这种情况下当然看不出有突变点。可以看到当VGS较高时，迁移率有所下降(4.8节)。当VGS很小时，ID特性与直线之间的偏差是由于扩散电流而引起的，我们所介绍的简单模型没有计及扩散电流。这一现象使人想起非注入器件中的弱反型。

    对于饱和时的与VGS的关系曲线，模型再一次预测存在斜率变化效应，虽然并不明显，如图6.12b虚线所示。然而，斜率略微增大的趋势被迁移率随VGS增大而下降的影响所抵消，最终的特性如实线所示，这一特性的很大一部分实际上是直线。因此，像式(4.4.30b)那样的饱和公式还可用于这类情况，形式为

现在只是比例常数K较非注入器件的略有减小，以及当VSB较低时，VT为负(近似等于Vp)。已经证明，对于有些耗尽型器件来说，式(6.3.25)是精确的，甚至比对于同一衬底上的增强型器件更为精确。事实上，在一些电路分析的计算机程序中，就利用包括非饱和及饱和两种情况的完整公式(4.4.30)来模拟有注入的耗尽型器件，不过此时VT用负值而已。然而，根据器件的细节情况不同，这些近似可能引起严重的误差。也有人提出了一种类似于式(4.17）的^3/2次幂的模型。

    应当注意，表6.1中的模型并不适用于具有图6.9所说明的那种问题的器件。当VSB丑较小时，即使VGS变得很负，这类器件中沟道仍然存在。于是可以观察到如图6.13所示特性。通常，这类器件是要避免的。

    我们已经介绍的模型不适用于当两个耗尽区几乎相遇的时候。这里有两个原因：一是因为此时“突变”耗尽区边缘的假设不适用了，二是因为此时扩散电流变得重要起来了。根据VSB值的不同，两耗尽区“相遇点”出现在不同的深度处，这一事实将同时影响这一点离开栅的距离和这一点(大部分电流流过的地方)的有效注入浓度。因此，在这部分工作范围内，ID对VSB的依赖关系是复杂的。对于耗尽型器件，已经有人提出了一种适用于所有工作区的通用模型(类似于4.3节的电荷薄层模型)。短沟道效应也已经观察到了，它们与非注入器件的短沟道效应定性相似。

p衬底上的n型注入通常用于制作耗尽型器件。然而，如果开始时使VFB足够的高，经过降低阈值电压之后，·也可能最终制成增强型器件。   

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