NDR漏擴散

2020-09-30

半導體器件的制造是通過(guò)擴散進(jìn)行的。在高溫下擴散半導體材料中的雜質(zhì)原子會(huì )將摻雜劑原子引入硅中。擴散時(shí)間的長(cháng)短和溫度決定了摻雜劑滲透的深度。

在另一方面，電流由于電荷載流子的擴散而流動(dòng)。熱能使載流子隨機移動(dòng)。隨機運動(dòng)不會(huì )建立載流子的凈流量或凈電流。離開(kāi)某個(gè)位置的每個(gè)載體都會(huì )被另一個(gè)載體替代。引入載流子梯度導致載流子從高密度區域擴散到低密度區域。

金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）的構建始于在連接至柵極端子的基板上沉積氧化物層。該氧化物層用作柵極和襯底之間的絕緣體。MOSFET之所以工作是因為具有重摻雜區域的輕摻雜襯底的擴散。取決于MOSFET的結構是N溝道還是P溝道MOSFET，我們可能會(huì )看到輕摻雜的P型襯底和兩個(gè)重摻雜的N型區域，或者輕摻雜的N型襯底和兩個(gè)重摻雜的N型區域摻雜的P型區域。

在MOSFET中，擴散形成了器件的源極，漏極和溝道。將重摻雜區擴散到輕摻雜區上形成通道。MOSFET的源極和漏極通過(guò)通道連接。將柵極與MOSFET中的通道隔離開(kāi)來(lái)，可以向柵極施加正電壓或負電壓，以控制器件的操作。施加負偏置電壓會(huì )使MOSFET在耗盡模式下工作。柵極上的正偏置電壓使MOSFET以增強模式工作。

擴散還可能導致MOSFET中產(chǎn)生寄生效應。允許MOSFET工作的相同結構也會(huì )在器件中引入寄生電容。由于絕緣層將漏極和源極與柵極分開(kāi)，PN結在漏極和源極之間形成寄生二極管。漏極-源極電容又變成寄生二極管的結電容。當我們使用功率MOSFET時(shí)，寄生電容會(huì )在某些頻率和開(kāi)關(guān)速度下限制MOSFET的工作。

FET新技術(shù) 

當前的MOSFET具有低陷阱密度和溝道中的低摻雜。

一次，MOSFET和互補MOSFET提供了電子設備所需的功率效率和可擴展性。當前的MOSFET繼續具有低陷阱密度和溝道中低摻雜。但是，由于亞閾值區域中傳輸特性的陡度存在局限性，因此MOSFET無(wú)法縮放。陡峭的斜率會(huì )導致電子開(kāi)關(guān)中的電流從OFF迅速變?yōu)?span>ON。

但是，如今，對節能，可擴展設備的需求已經(jīng)引入了新型的場(chǎng)效應晶體管（FET），例如隧道FET和負電容場(chǎng)效應晶體管（NC-FET）。這些設備中的每一個(gè)都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)陡峭的斜率。

簡(jiǎn)而言之，NC-FET的結構用鐵電材料薄層補充了MOSFET中的氧化層。添加鐵電層會(huì )增加負電容并產(chǎn)生陡峭的傾斜效應。在規定的電壓下，鐵電材料變?yōu)榉礃O化；電壓降低會(huì )導致電荷增加。結果，NC-FET在更低的電源電壓下降低了功耗和導通電流。通過(guò)隨著(zhù)電源電壓的增加而增加的閾值電壓，可擴展性得到改善。所有這些都可以追溯到簡(jiǎn)單的擴散概念。

SPICE仿真可以顯示NC-FET提供差分增益的能力，再加上較大的信號增益，可實(shí)現無(wú)滯后，最小亞閾值擺幅。因此，對于用于消費類(lèi)，工業(yè)，醫療，航空航天和軍事設備的超低功耗，高度便攜的應用，NC-FET已成為可行的選擇。例如，擴散加權成像設備獲得了使用較少功率并獲得便攜性的潛力。通過(guò)更快速的MRI掃描，可以發(fā)現這種可攜帶性的優(yōu)勢，這種掃描可以發(fā)現腦損傷并導致更快的治療。

功率MOSFET的SPICE模型

NDR漏擴散

NC-FET還具有漏極電流在漏極-源極增加至飽和時(shí)減小的優(yōu)點(diǎn)。當漏極電流降低時(shí)，該器件具有負差分電阻（NDR）。NDR漏極擴散會(huì )在FET組件的閾值區域產(chǎn)生陡峭的傳輸斜率。動(dòng)態(tài)電阻具有根據流經(jīng)電阻器的電流或施加到電阻器的電壓而變化的瞬時(shí)電阻。查看動(dòng)態(tài)電阻器的電流-電壓曲線(xiàn)時(shí)，我們在曲線(xiàn)的兩端看到正電阻，而在中間看到負電阻。電流或電壓的增加導致負差分電阻增加，而正電阻減小。

基于負差分電阻的設備和電路可用作振蕩器，倍頻器和存儲設備。在短通道NC-FET中，NDR將正輸出電導減小到接近零的值，并產(chǎn)生高電壓增益。組件和電路設計可以通過(guò)使鐵電層和氧化層之間的電容匹配以及控制漏極和柵極之間的電容來(lái)優(yōu)化NDR。