解析MOS管PN型埋沟管杂质分布剖面及其输出特性

向沟道区注入与衬底反型的杂质，会在表面下形成一层与源漏区同型的导电沟道及对衬底的pn结，由此得到埋沟导电机理。

埋沟管的杂质分布剖面如图1.6所示。注入区补偿衬底杂质后得反型浓度为在深度为点注入杂质与衬底杂质浓度相同，形成pn结。为了计算简单，一般采用“BOX”近似进行分析，当然也可以采用较复杂的、较精确的分布进行计算分析，但在方法上基本是类似的，结论也是相似的。

对NMOS管，由于它的平带电压是负的，埋沟注入的结果必然形成常通的耗尽管，但不能简单地把它处理成开启电压为负的表面沟管。PMOS的情况有所不同，在无注入情况下，由于平带电压的作用，它在零偏时是常闭的增强管，而且开启电压的绝对值较大（约4V左右），不宜在5V电源电压下工作。反型杂质（受主型）的注入可以降低开启电压的绝对值，这正是电路设计所希望的。这时的PMOS管虽然仍是增强管，但是埋沟型的，因为注入形成的埋沟被平带电压所耗尽，因此在零偏时不能起导电作用。在实际CMOS工艺和电路中的PMOS就是这种增强型的埋沟管。通过对它的埋沟注入，使开启电压从-4V左右上升到-0.7V左右，以适合于CMOS电路在5V电源下工作。

下面我们以NMOS耗尽型组沟管为例进行分析计算。采用“BOX”近似，设埋沟区是浓度为ND的N区，其深度为。

图1.7为器件在负栅压下的剖面图，图1.8为沿沟道垂直方向的电荷分布。由图可见，注入在埋沟的导电载流子一部分被底部的pn结所耗尽，另一部分被表面负栅压所耗尽，剩下的中间部分成为导电沟道。

以衬底电位VB=0为参考电位，沟道中各点的电位为V。

令，其中是pn结的内建电势。

令，可以看成是有效栅压，当时达到平带条件。

以的大小为依据，表面分成三种情况：

，表面积累，；

，表面耗尽，；

，表面反型，。

其中是表面反型呈P型的阈值。这里的反型条件有一定的特殊性，因为反型表面呈P型，而衬底也是P型，一旦表面达到反型就会通过沟道宽度方向与衬底连在一起，表面电位被箝位至VB=0。图1.9是沟道宽方向上的剖面，可以清楚地看到上述的情况。由此可得

其中

就是表面达到反型时耗尽电荷，当达到时就出现表面反型。由于表面已被衬底所箝位，因此即使VmG变得更负，耗尽电荷及耗尽宽度也不会变化，也就是已达到最大的耗尽宽度。它可以从耗尽电荷导出：

是非反型情况下的表面耗尽宽度，可以由求解泊松方程而得：

其中。

是衬底pn结造成注入区底部的耗尽宽度，真正能导电的注入区宽度为，并设电荷密度为Qm，则有：

根据及对的大小，形成能夹断和夹不断两种输入特性，如图1.10所示。

夹断的条件：在源点，，即表面达到反型前，沟道被夹断，。

夹不断的条件：在源点，，即表面达到反型时，仍大于零，保持一定值，这时栅压VG再负，及均不变，保持不变，达不到零。

在E/D NMOS电路中，埋沟D管作为恒流负载管，因此夹断和夹不断的管子均可以用，不会影响电路的功能。但是，夹不断的管子的注入深度大，衬偏系数大（下面将说明原因），不利于电路的性能。因此，要求尽量小一点的能夹断的D管作为电路的负载为好。

为夹断条件，实际应用时也就把它作为开启条件。NMOS埋沟D管的开启电压VTD是个负值。象以前规定一样，以源点电位Vs作为参考点，可得：

其中

，为衬底pn结有效杂质浓度；

，为栅到注入边界的电容；

，为栅到注入层的平均电容；

其中，为注入层的电容。

C1是Cox与Ci的串联值，C2是Cox与2Ci的串联值。因此，它的衬偏系数与注入深度xi有关，xi越大，y亦越大，这是电路设计者所不希望的。

对增强的埋沟管（如CMOS中的PMOS管），上述的分析及VTD公式照样适用，只是开启电压的方向不同而已。

埋沟管的IDS输出特性与表面沟管十分相似，如图1.11所示，也有线性区和饱和区，随VG的增加，IDS的变化率增加。但是，由于导电机理有所不同，两者的细致特性还是有差别的。例如，埋沟管中载流子迁移率要比表面沟管高，因此不能随便把两者等同起来。总的来说，埋沟管的导电情况要更复杂些。当栅压较低刚开启时埋沟最底部开始导电，载流子的迁移率接近体迁移率；随着栅压的增加，导电区向上扩展到整个埋沟区；当再进一步增加栅压，表面进入积累状态，起主要导电作用之处逐步由埋沟转向表面，有效迁移率也随之大大下降。

由此可见，对埋沟管来说，在反型、耗尽、积累这三种不同的表面状态应有不同的电流公式，而且源端和漏端由于电位不同常常处于不同的状态，例如图1.7中的情况是源端反型、漏端耗尽。在这种情况下计算电流的公式就会比表面沟要复杂得多。

有关在各种状态下的埋沟管的电流至今没有十分精确的公式，而是在表面沟公式的基础上作某些修正作为对它的近似。参考文献[3]给出恒定μ下的各种状态下的埋沟管电流公式。

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