场效应晶体管的特点.pptVIP

半导体器件原理 南京大学 亚阈值区 半导体器件原理 南京大学 （2）量子效应导致的阈值电压的偏移： 室温和较小的电场情况下，最低能级和子带间能级间距小于kT或相当，使大量子带被占据，量子力学计算的电荷密度与经典的结果一致。 较大电场情况下，子带间能级间距大于kT，量子力学计算的电荷密度显著小于经典的结果。同样的反型层电荷密度因此需要更大的能带弯曲。 半导体器件原理 南京大学 对0.1 ?m MOSFET，均匀掺杂，Na=1018 cm-3 Es=5.4*105 V/cm, ?VtQM=0.1V?Vt=0.57 V 极端退化掺杂， ?VtQM=0.06V?Vtmin=0.25 V 对1. 5V的工作电压，非均匀掺杂使设计时较易获得一合适的阈值电压。 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 ?泊松方程的不变：增加掺杂浓度，避免短沟道效应增强 ?速度饱和效应： 对长沟道器件，载流子速度远离饱和，增加因子? 漂移电流正比于Wqiv，增加因子： ?2/k 对短沟道器件，载流子速度已饱和，不再变化 漂移电流正比于Wqiv，增加因子： ?/k 半导体器件原理 南京大学 ?电路延迟等比例缩小，比例因子： ? k 和k（依赖于饱和度） ?单个器件的功耗增加?3/k2 到?2/k2 ?泊松方程：对耗尽层而不变，而对反型层可移动电荷则不成立。它是表面势的指数函数，而表面势并不随物理尺寸或电压线性变化。 ?同时并不是所有的边界条件相应地等比例的变化。（源结的能带弯曲由并不随电压等比例变化的内建势给出。） 半导体器件原理 南京大学 特例：恒定电压的等比例缩小 电场的形状仅当?=k才保持恒定电压的等比例缩小。 ?电场增加k，掺杂浓度增加k2， 不变 半导体器件原理 南京大学 ?反型层电荷密度与电子浓度有关（?k2）： 反型层厚度（Qi/qn(0)）与LD= 均减小k倍。 ?功率密度增加k3（k2），导致热电子和氧化层的可靠性问题。 ?实际的CMOS的技术演变是恒电压与恒电场的某种混合。 半导体器件原理 南京大学 (3) 非等比例缩小效应： 主要的非等比例因数：热电压kT/q和硅的带隙并不改变。 ?前者导致亚阈值的非等比例变化，使阈值电压不能如其它参数一样等比例缩小。 因电流与阈值电压成指数关系，这使阈值电压不可能等比例缩小，否则电流会大幅度增加。 半导体器件原理 南京大学 ?即使阈值电压保持不变，其关断电流也将随物理尺寸的缩小而增加k倍（Cox），限制了阈值电压的变化范围. ?电路延迟随Vt/Vdd快速增加，限制器件工作电压最低值。 ?kT/q导致反型层厚度，反型层电荷密度以及相应电流的非等比例变化。 ?Eg导致内建势, 耗尽层宽度和短沟道效应非等比例缩小。 内建势和最大表面势并不随器件的缩小而显著的变化，而耗尽层宽度也不如其它线性尺度变化大。这将加剧短沟道效应。 要补偿这一效应，掺杂浓度必须大于等比例缩小效应的要求值。 半导体器件原理 南京大学 1.2 阈值电压 1) 阈值电压的要求 各种阈值电压的定义： ? ?s（inv）=2 ?B，非常广泛并易被结合进分析求解中，不能直接从CV测量中获得。 ?线性外推阈值电压Von，易测量但由于反型层电容效应，使之大于2 ?B的阈值电压3kT/q大小。 ?由亚阈值电流决定，对一给定的恒定电流I0（如50nA/?） 它能从硬件数据中获得特别适合于大批量器件的自动测量。并且能直接计算出关断电流。但在短沟道器件中存在问题，因为难以知道准确的沟道长度。 半导体器件原理 南京大学 关断电流要求和最低阈值电压 ?低的阈值电压和高的电流器件，开关速度快。但低的阈值电压又要受到关断电流的限制。 ?必须考虑工艺的容许偏差，工作温度以及偏压条件的最差情况：即零偏电压和最高工作温度，如1000C。 ?对给定的Ioff/W，Vtmin随尺寸缩小而增加，与电源电压的相应变化趋势相反。 ?器件设计因此需要在关断电流与性能之间取得平衡。 半导体器件原理 南京大学 阈值电压的容许偏差： m取 ? Lmin/mWdm 过小会加剧SCE； ?过大则增加结电容或增大氧化层电场。 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 阈值电压的优化 阈值电压和关断电流难以取得平衡(Vt/Ids) 阈值电压与电源电压及器件性能之间的矛盾 （Vt/Vdd) 阈值电压与耗尽层厚度及体效应系数之间的矛盾(Vt/Wdm/m) 半导体器件原理 南京大学 2) 非均匀掺杂