半导体物理与器件第十一章1解读.ppt

半导体物理与器件 陈延湖 第十一章 金属氧化物半导体场效应晶体管：概念的深入 非理想效应(11.1 ) 亚阈值电导 沟道长度调制 迁移率变化速度饱和 弹道输运 MOSFE按比例缩小理论(11.2 ) 恒定电场按比例缩小 准恒电场按比例缩小 MOSFET阈值电压修正(11.3 ) 短沟道效应 窄沟道效应 MOSFET的附加电学特性（11.4） 击穿电压 离子注入进行阈值调整 11.1.1亚阈值电导 亚阈值电导：当栅源电压Vgs小于或等于阈值电压Vt时，MOS漏电流ID并不为零，该电流称为亚阈值电流，对应的沟道电导称为亚阈值电导。 源到栅到漏的势垒结构 该指数规律可以表达为： 例题： 考虑一个被偏置于亚阈值区的MOSFET，VDSKT/e，基于以上理想指数电流关系，要使漏电流变化10倍，栅电压应如何变化。 含有数个MOSFET的大规模集成电路中，亚阈值电流可以造成很大的功耗，因此电路设计者必须考虑亚阈值电流的影响。应保证MOSFET被偏置在远低于阈值电压的状态从而使器件处于彻底关断状态。 11.1.2 沟道长度调制效应 沟道长度调制效应：当MOSFET偏置在饱和区时，漏源电压VDS使漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，沟道被夹断，从而减少了有效沟道长度，影响到漏电流IDS的大小。 求 此时MOSFET的饱和区漏电流可写为： 例 11.1.3-4 迁移率变化及速度饱和 影响迁移率的三个主要因素： 温度升高，反型层电子迁移率下降 例 栅压升高，迁移率下降 沟道横向水平电场增强，迁移率下降，超过临界场强出现速度饱和 速度饱和导致： VDS(sat）比理想关系小 ID(sat）大约是VGS的线性函数，而不是前面所述的理想平方律关系，因而ID（sat）比理想值小 随着MOSFET沟道长度的缩小，沟道长度L与载流子的散射间的平均自由距离相比拟，此时载流子的一部分可以不经散射而到达源漏极，这种运动称为弹道输运 弹道输运：载流子以比平均漂移速度或饱和速度更快的速度输运 弹道输运发生于亚微米器件（L1um)，随着MOSFET技术发展，弹道输运会变得更加重要 非理想效应 MOSFET按比例缩小理论 阈值电压修正 。。 MOSFET的按比例缩小（scaling down）理论： 恒定电场按比例缩小：指器件尺寸和电源电压等比例地缩小，而电场（水平和垂直）保持不变。从而确保器件的可靠性 恒定电场按比例缩小方案： 工作电流的变化： 恒定电场按比例缩小方案优点： 电路密度增加(1/k2)倍 功耗降低(k2) 器件时延降低(k) 倍 器件fT提高(k2) 倍 电场恒定，器件可靠性好 按恒定电压按比例缩小方案的优点： 电路密度增加(1/k2) 倍 器件速度1/k2倍提高 系统的电源电压不用改变 缺点： 电路功耗1/k倍增大 器件内部电场增强 在MOSIC发展中实际上采用的是不完全等比例的缩小规则，或叫作优化的按比例缩小规则。 当特征尺寸缩小到深亚微米，采用的是准恒定电场的不等比例缩小规则。 准恒电场按比例缩小方案： 非理想效应 MOSFET按比例缩小理论 阈值电压修正 短沟道效应 窄沟道效应 。。 短沟道效应 短沟道效应：在增强型短沟道器件中，源端和漏端PN结的空间电荷区会进入有效沟道区，即栅下耗尽区电荷很大一部分被源漏PN结所提供，因此只需要较少的栅电荷就可以达到反型，从而使Vth降低，且随沟道长度L的减小，Vth下降的越多。 分析 随着沟道长度的减小，阈值电压负向移动量增加，短沟道效应明显。 例11.3计算由短沟道效应引起的阈值电压的变化 考虑一个n沟道MOSFET，参数如下：Na=3x1016cm-3，tox=200?，设L=1um，rj=0.3um。求 窄沟道效应 窄沟道效应：当MOSFET的横向宽度W与沟道耗尽区宽度xdT可比拟时，在沟道宽度的两侧存在一个附加的耗尽空间电荷区，导致器件的VTH升高，且宽度W越小，VTH增加的越多。 例11.4设计沟道宽度使之窄沟效应限制在某一值 考虑一个n沟MOSFET，参数如下： 小结：窄沟道器件使阈值变大，而短沟道器件使阈值电压变小。 同时受窄沟和短沟道效应影响的器件，不是两个效应的简单叠加，要建立更为精确的三维模型进行计算。 MOSFET基本工作原理 MOSFET的频率限制特性 非理想效应 MOSFET按比例缩小理论 阈值电压修正(小尺寸效应：短沟，窄沟） MOS击穿特性 MOSFET击穿特性—栅氧化层击穿 栅氧化层击穿：当栅氧化层中的电场变得足够大，击穿就会发生，对二氧化硅击穿时场强为6x106V/cm左右。 MOSFET击穿特性—雪崩击穿 雪崩击穿：漏极附近的空间电荷区离化可以造成雪崩击穿。 MOSFET击穿特性—雪崩击穿 MOSFET击穿特性—寄生晶体管击穿 寄生晶体管击穿 MOSFET击穿特性—