NDR漏扩散

2020-09-30

半导體(tǐ)器件的制造是通过扩散进行的。在高温下扩散半导體(tǐ)材料中的杂质原子会将掺杂剂原子引入硅中。扩散时间的長(cháng)短和温度决定了掺杂剂渗透的深度。

在另一方面，電(diàn)流由于電(diàn)荷载流子的扩散而流动。热能(néng)使载流子随机移动。随机运动不会建立载流子的净流量或净電(diàn)流。离开某个位置的每个载體(tǐ)都会被另一个载體(tǐ)替代。引入载流子梯度导致载流子从高密度區(qū)域扩散到低密度區(qū)域。

金属-氧化物(wù)-半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管（MOSFET）的构建始于在连接至栅极端子的基板上沉积氧化物(wù)层。该氧化物(wù)层用(yòng)作栅极和衬底之间的绝缘體(tǐ)。MOSFET之所以工作是因為(wèi)具有(yǒu)重掺杂區(qū)域的轻掺杂衬底的扩散。取决于MOSFET的结构是N沟道还是P沟道MOSFET，我们可(kě)能(néng)会看到轻掺杂的P型衬底和两个重掺杂的N型區(qū)域，或者轻掺杂的N型衬底和两个重掺杂的N型區(qū)域掺杂的P型區(qū)域。

在MOSFET中，扩散形成了器件的源极，漏极和沟道。将重掺杂區(qū)扩散到轻掺杂區(qū)上形成通道。MOSFET的源极和漏极通过通道连接。将栅极与MOSFET中的通道隔离开来，可(kě)以向栅极施加正電(diàn)压或负電(diàn)压，以控制器件的操作。施加负偏置電(diàn)压会使MOSFET在耗尽模式下工作。栅极上的正偏置電(diàn)压使MOSFET以增强模式工作。

扩散还可(kě)能(néng)导致MOSFET中产生寄生效应。允许MOSFET工作的相同结构也会在器件中引入寄生電(diàn)容。由于绝缘层将漏极和源极与栅极分(fēn)开，PN结在漏极和源极之间形成寄生二极管。漏极-源极電(diàn)容又(yòu)变成寄生二极管的结電(diàn)容。当我们使用(yòng)功率MOSFET时，寄生電(diàn)容会在某些频率和开关速度下限制MOSFET的工作。

FET新(xīn)技术 

当前的MOSFET具有(yǒu)低陷阱密度和沟道中的低掺杂。

一次，MOSFET和互补MOSFET提供了電(diàn)子设备所需的功率效率和可(kě)扩展性。当前的MOSFET继续具有(yǒu)低陷阱密度和沟道中低掺杂。但是，由于亚阈值區(qū)域中传输特性的陡度存在局限性，因此MOSFET无法缩放。陡峭的斜率会导致電(diàn)子开关中的電(diàn)流从OFF迅速变為(wèi)ON。

但是，如今，对节能(néng)，可(kě)扩展设备的需求已经引入了新(xīn)型的场效应晶體(tǐ)管（FET），例如隧道FET和负電(diàn)容场效应晶體(tǐ)管（NC-FET）。这些设备中的每一个都会产生一个陡峭的斜率。

简而言之，NC-FET的结构用(yòng)铁電(diàn)材料薄层补充了MOSFET中的氧化层。添加铁電(diàn)层会增加负電(diàn)容并产生陡峭的倾斜效应。在规定的電(diàn)压下，铁電(diàn)材料变為(wèi)反极化；電(diàn)压降低会导致電(diàn)荷增加。结果，NC-FET在更低的電(diàn)源電(diàn)压下降低了功耗和导通電(diàn)流。通过随着電(diàn)源電(diàn)压的增加而增加的阈值電(diàn)压，可(kě)扩展性得到改善。所有(yǒu)这些都可(kě)以追溯到简单的扩散概念。

SPICE仿真可(kě)以显示NC-FET提供差分(fēn)增益的能(néng)力，再加上较大的信号增益，可(kě)实现无滞后，最小(xiǎo)亚阈值摆幅。因此，对于用(yòng)于消费类，工业，医疗，航空航天和军事设备的超低功耗，高度便携的应用(yòng)，NC-FET已成為(wèi)可(kě)行的选择。例如，扩散加权成像设备获得了使用(yòng)较少功率并获得便携性的潜力。通过更快速的MRI扫描，可(kě)以发现这种可(kě)携带性的优势，这种扫描可(kě)以发现脑损伤并导致更快的治疗。

功率MOSFET的SPICE模型

NDR漏扩散

NC-FET还具有(yǒu)漏极電(diàn)流在漏极-源极增加至饱和时减小(xiǎo)的优点。当漏极電(diàn)流降低时，该器件具有(yǒu)负差分(fēn)電(diàn)阻（NDR）。NDR漏极扩散会在FET组件的阈值區(qū)域产生陡峭的传输斜率。动态電(diàn)阻具有(yǒu)根据流经電(diàn)阻器的電(diàn)流或施加到電(diàn)阻器的電(diàn)压而变化的瞬时電(diàn)阻。查看动态電(diàn)阻器的電(diàn)流-電(diàn)压曲線(xiàn)时，我们在曲線(xiàn)的两端看到正電(diàn)阻，而在中间看到负電(diàn)阻。電(diàn)流或電(diàn)压的增加导致负差分(fēn)電(diàn)阻增加，而正電(diàn)阻减小(xiǎo)。

基于负差分(fēn)電(diàn)阻的设备和電(diàn)路可(kě)用(yòng)作振荡器，倍频器和存储设备。在短通道NC-FET中，NDR将正输出電(diàn)导减小(xiǎo)到接近零的值，并产生高電(diàn)压增益。组件和電(diàn)路设计可(kě)以通过使铁電(diàn)层和氧化层之间的電(diàn)容匹配以及控制漏极和栅极之间的電(diàn)容来优化NDR。