第六章1-MOSFET-06

InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan第五章MOSFET第一节长沟MOSFET第二节短沟MOSFET第三节MOSFET模型第四节MOSFET的缩小第五节MOSFET的设计InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan各种各样的场效应晶体管•S/D与沟道区为同种类型的半导体•栅为MS接触•常开器件，加栅压使关断•存在Ig•S/D与沟道区为不同种类型的半导体•栅为MOS接触•由栅压感应形成沟道•Ig很小•四端器件MOSFETInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan各种各样的场效应晶体管•S/D与沟道区为同种类型的半导体•常开器件，加栅压使关断•沟道由异质结中的2DEG形成•S/D与沟道区为同种类型的半导体•常开器件，加栅压使关断InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan第一节长沟MOSFET一、MOSFET的结构、能带二、阈值电压三、I－V特性的模型1.pao－sah方程2.缓变沟道近似3.其他源漏电流模型四、亚阈特性五、衬偏效应六、沟道尺度调制效应InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan长沟MOSFET的特点•沟道长度L源空间电荷区＋漏空间电荷区•可以将长沟器件处理为一维问题•可以忽略沟道四周的边缘效应InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanMOSFET的能带InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan参考点：平带VFB－VG相对于VB的反型VT－VG相对于源端VS的VBS不为0时，VB相当于增加了反偏电压VR＝VBVbi＋VBSVbi＋VBS＋VDSMOSFET的工作过程及I－V特性亚阈线性饱和IDSVtVG－VtVGInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan二、阈值电压MOS中经典强反型条件：反型VT－VG相对于源端VS的MOSFET中的VT必须考虑Vsb的影响InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanMOSFET的阈值电压反型VT－VG相对于源端VS的oxASioCqN2体效应参数V1/2计入VSB均匀掺杂InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan另外一种定义两部分电容Cox和Cdep对反型电荷的贡献00()invoxgstdepsbdepoxgstsboxQCVVCVCCVVVC定义Qinv＝0时的Vgs为Vt（sb）体因子InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan均匀掺杂：掺杂浓度对阈值电压的影响InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan非均匀掺杂时的阈值电压沟道中杂质分布的几种情况abca、均匀分布b、delta分布DIWdmaxc、retrograde分布见习题DINIcm-2222oSiAitFBffsboxoxqNqNVVVCCNAoNi/XiInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan影响Vt的因素InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan阈值电压的确定饱和区：在饱和区测ID-VG，画sqrt(ID)－VG－外推VT存在的问题？线性区：在线性区测ID-VG，画ID－VG－外推VT存在的问题？InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan阈值电压的确定固定电压法：Ids＝10－7W/L(A)存在的问题？跨导增量法：低漏压时，跨导微分dgm/dVgs的最大点所对应的栅压。存在的问题？沟道中任一点的电流：目的：IDS－VG、VS、VD、VB之间的关系()()(),,,nJxyqnxyxyu=-假设•正常工作区nMOS时空穴电流Jp可以忽略•Jn只沿y向流动•Gn＝Rn＝0，任一点的总电流连续•迁移率为常数三、I－V特性0,0DSBSVV常yx沟道中任一点的电流：缓变沟道近似：1DMOSFET模型的关键，只适合于长沟器件假设：电场沿y方向的变化沿x方向的变化2D泊松方程1D泊松方程Syxyx,2222Syxx,222222yx结果：MOS电容中得到的Qs与表面势的关系仍适用，只是需要考虑随y的变化成立条件：沟道内的绝大部分，除漏附近和夹断区InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanPao－Sah方程爱因斯坦关系同时有漂移，扩散项0(,)(,())(,())fsfsixdxQqnxydxqnVyddnVyqdE沿x方向求解关于MOS结构的泊松方程双重积分，s的隐含方程，只有数值解。同时有漂移，扩散项，适合所有工作区有效。InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan薄层电荷模型chargesheetmodel假设反型层电荷厚度为0，其上没有压降代入Ids的积分没有了双重积分，源漏处的s仍需要迭代求解，无解析解。同时有漂移，扩散项，适合所有工作区有效，计入了体效应（Vsb的影响）。InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan体电荷模型bulkchargemodelSPICELevel＝2忽略扩散电流，假设反型后表面势钳位在2B－只适合于强反型！线性区02SBsbV2SLBdbV代入Ids，积分3/23/22122223oxdsgtdsdsBdsBCWIVVVVVL[22]ioxgsfbBBQCVVVyVy饱和区InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanSah方程，Squarelawmodel[22]ioxgsfbBBQCVVVyVyVt忽略沟道中耗尽层厚度的变化22DSDSTGoxnDSVVVVLWCIioxGTQCVVVy22TGoxnDSVVLWCIVDSVG-VTVDSVG-VT线性区饱和区代入Ids，积分InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan包含体效应的Sah方程00()(())(1)()invoxgstsboxgstsbQCVVVyVVyCVVVVy代入Ids，积分(1)2noxDSDSGTDSWCVIVVVL0dsatdsVdsdIdV1gstdsatVVV2/(1)2noxDSGTWCIVVLInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan亚阈特性VgsVt,弱反型，扩散电流，分区模型中忽略漂移项弱反型InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan亚阈斜率SubthresholdswingdecVIddVIddVSDSGDSG/ln3.2)(logIds改变一个数量级所需要的栅压沟长调制效应CLM饱和后，夹断区长度DL随VDS继续增加，使有效沟长Leff＝L－DL减小，Ids随VDS继续增加2/(1)2()noxDSGTWCIVVLLDInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanGIDL效应现象Gate-InducedDrainLeakage(GIDL)Vg＝0，Vds＝Vdd时，Ids的反常增加。泄漏电流。反偏pn结InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanGIDL效应原因Gate-InducedDrainLeakage(GIDL)栅漏交叠漏端存在强场带间隧穿Band－to－bandtunneling可能存在陷阱辅助的隧穿InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanMOSFET中的迁移率场效应迁移率，有效迁移率Effectivemobility，与半导体材料的迁移率（体迁移率）有区别原因：载流子与界面散射，受界面电荷、界面粗糙的影响，纵向电场一定强时，载流子的输运主要受界面散射的影响.EchannelEverticalInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan界面的影响库仑散射：界面电荷、电离杂质表面粗糙散射载流子的屏蔽作用使迁移率随Qinv（Vg）增加而增加。栅压引起有效迁移率的退化。Vg大后，纵向电场Evertical增加，使载流子更加频繁地与表面接触（散射），迁移率降低。InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanUniversalmobilitycurve普适的迁移率曲线/关系有效迁移率与等效纵向电场之间存在一普适关系。除反型起始点附近外，有效迁移率与等效纵向电场间的关系不受衬底掺杂浓度、衬底偏压的影响。eff(Vgs,Tox,Nsub,Vsb)=(Eeff)InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyaneff(Vgs,Tox,Nsub,Vsb)=(Eeff)InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan等效纵向电场InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyanInstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan减小tox，Eeff增大，迁移率下降，器件特性退化InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan对I－V特性的影响InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan第二节短沟MOSFET一、短沟效应二、窄沟效应三、速度饱和四、寄生效应五、热载流子效应需要2D分析、边缘效应不可忽略VDSVDSAT后IDS不饱和VT漂移S上升强电场效应一、短沟效应•Vtrolloff•DIBL效应•源漏穿通•反常的短沟效应ShortChannelEffectSCE阈值电压随偏置条件和器件尺寸变化。实际应用时，希望减小这种现象。现象VtrolloffDIBL效应简单解释反型前需要耗尽栅下的硅层，源漏pn结在其中也起了作用，使部分电荷由源漏pn结耗尽，总耗尽电荷减少，相应的所需栅压降低。由栅压产生的耗尽电荷只占总电荷中的一小部分，可以忽略在总电荷中占的比例随L，而上升，不可忽略InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan电荷共享模型chargesharemodelYau’sModel一级近似模型假设栅压只控制梯形部分的耗尽电荷。栅压不再控制矩形部分的耗尽电荷。控制电荷减小的比例该模型的关键求L’InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan阈值电压的变化降低DVTrolloff减小Tox－－增大Cox减小rj增大NA纵向尺寸需要和横向尺寸一起缩小Vtrolloff－L缩小时，Vt减小InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan一、短沟效应（续）2、穿通punchthrough现象栅压失控体穿通原因改进办法InstituteofMicroelectronicsPKULiuXiaoyan一、短沟效应（续）3、DIBLDraininducedbarrierlowering现象原因源漏靠得足够近时，将发生静电耦合，漏压将