半导体器件物理-MOSFET3

西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS场效应晶体管非理想效应2020/4/281场效应器件物理4.3MOSFET亚阈值电流:定义TGSVV2020/4/28亚阈值电流fpsfp2理想MOSFET：ID=0实际MOSFET：存在亚阈值电流Idsub亚阈区，VGS稍小于VT，表面势：半导体表面处于弱反型区弱反型沟道，形成亚阈值电流IDsubIDsub形成机制？√2020/4/284.3MOSFET亚阈值电流:形成机制n沟道MOSFET堆积状态：势垒很高→电子无法跃过→无法形成表面电流弱反型状态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流强反型状态：势垒极低→大量电子越过势垒→形成沟道电流衬底0势能参考点4.3MOSFET亚阈值电流:对器件的影响亚阈电流表达式:ID与VGS有关，且随VGS指数增加，若VDS4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，IDsub近似与VDS无关2020/4/28半对数坐标中亚阈电流与VGS之间呈现直线改变一个数量级，改变当（sub)DSIVmV60G4.3MOSFET亚阈值电流:对器件的影响2020/4/28亚阈值摆幅S（Subthresholdswing）：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S=dVGS/d(lgIDsub)S也是半对数亚阈特性曲线斜率的倒数两点法求斜率：(VGS=VT,Ion)，(VGS0,10-10(Ioff)）k=(lgIon-lgIoff)/(VT–VGS0),S=1/kS小好？大好？Ion变为Ioff，器件关断k越大（S越小），VGS的降低能快速关断器件S是量化MOS管如何随栅压快速关断的参数亚阈值摆幅S影响因素S∝(Cox+Cdep+Cit)/Cox；Cit:界面陷阱电容减薄栅氧厚度（Cox增大）、降低衬底掺杂（Cdep减小）、减小表面陷阱密度（Cit减小）4.3MOSFET亚阈值电流:对器件的影响2020/4/28开关特性变差：VGS略低于VT时，理论上器件关闭由于存在亚阈电流，器件无法正常关闭。静态功耗增加：CMOS电路，总有MOS管处于截止态，若VGS只是稍低于VT，理论器件截止，静态功耗为0。但IDsub存在，静态功耗增大。IDsub只有纳安到微安量级。但大规模IC中包含有上千万甚至数亿个器件，总的IDsub可能达到数个安培.减小IDsub影响的措施增大COX，减小亚阈值摆幅，使器件可以快速关断提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏，使VT增加，从而使VGSVT.VGS下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无IDsub，静态功耗大幅降低4.3MOSFET亚阈值电流的应用2020/4/28亚域区的利用：VGS比VT小，存在Idsub,，可认为器件导通与正常导通相比，ID小，功耗小。亚域区内栅压变，Idsub变，可实现放大低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区。利用亚阈特性进行微弱信号放大的应用研究正得到越来越大的重视2020/4/284.3MOSFET沟道长度调制效应:机理）（有效沟长）（饱和区：）（LLLLVVVVDSDSDSDSsat理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和实际器件(短沟)：L`L，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加,——沟道长度调制效应DDDDIILLLILI'1漏源电流2020/4/284.3MOSFET沟道长度调制效应:模型）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)(沟道长度调制效应系数：不是一个常数，和沟长有关：放大应用时，影响电压放大倍数的参数：饱和区输出电阻模拟放大电路的MOSFET器件的沟道长度，一般较大：Ro大数字集成电路MOSFET沟长，一般取工艺允许的最小值：速度快、面积小、功耗低DSLVL利用前面ΔL模型得出的I-V公式，繁琐不易计算,不适合于器件模型考虑沟道长度调制效应的IV常用表达式：电流随着VDS的升高而上升L1D(sat)dsoI1RR倍数下降越小，器件的电压放大越大，沟道越短，oR2020/4/284.3MOSFET迁移率变化沟道中的电场由VDS形成的沿沟道方向的电场分量由VG形成的与沟道垂直方向的电场分量对载流子迁移率的影响，随着电场的增强，变得都不可忽略2020/4/284.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(1))(表面表面散射界面沟道载流子的运动趋近纵向电场GSsGSVfV迁移率表面散射：表面电荷散射和表面不平整散射2020/4/284.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(2)表面迁移率（记为μeff）与反型层中垂直方向的电场Eeff关系：μ0和E0为实验曲线的拟合参数μ0为低场表面迁移率E0为迁移率退化时的临界电场Eeff反型层中所有电子受到的平均电场，与tox关系不明显，取决于氧化层下方电荷：μeff受温度影响大：晶格散射310eff0effEEnseff`21)max(`1QQESD2020/4/284.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(3)])(2[22DSDSTGSoxnDVVVVLCWIVGS增加，反型层电荷有效迁移率降低，漏电流、跨导随栅压增加而增加的趋势变缓对漏电流、跨导的影响）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)(2020/4/284.3MOSFET迁移率变化:Si的情形临界电场强度饱和漂移速度Evsat/E较低时，μ为常数，半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比E较高时，达到一临界电场EC时，载流子漂移速度将达到饱和速度vSat,使载流子的μ下降cm/s101V/cm103:Si7sat4vEC载流子速度饱和时Ev2020/4/284.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(2)有效迁移率（记为μ）常用经验公式：载流子速度饱和，VDS↑,载流子v不变,电流饱和：若μ为常数，VDS↑，E↑,v↑，直到漏端夹断，发生夹断饱和速度饱和时，器件还未发生夹断饱和，属于提前饱和，envenJnEETGSsatDSVVV0)(TGSsatDSVVV1)(都减小和相比，曲线提前拐弯，与理想)()(satDSsatDSIV2020/4/284.3MOSFET迁移率变化:速度饱和效应饱和漏源电流与栅压成线性关系饱和区跨导与偏压及沟道长度无关截止频率与栅压无关4.3MOSFET迁移率变化:速度饱和效应VGS－VT0：弱反型区，ID与VGS指数关系(较小)，gm与VGS指数关系VGS－VT0(较小)：强反型区，器件易发生夹断饱和，ID与VGS平方关系，中电流，gm与VGS线性关系VGS－VT0(很大)：器件很难发生夹断饱和，易发生速度饱和，大电流，但跨导饱和。模拟放大电路设计中：放大用MOSFET避免工作在速度饱和区，因为跨导不变，消耗的电流（功耗）却在增加,接近就OK，使gm较大2020/4/282020/4/284.3MOSFET阈值电压修正：VT与L、W的相关性无关、宽度与沟道长度＋的阈值电压长、宽沟道WLVCQVfpFBoxSDTN2|'|MOSFETmax的变化而变化随沟道长度的阈值电压～（短沟道LrLj)MOSFET的变化而变化随沟道宽度的阈值电压～（窄沟道WxWdT)MOSFET漏、源区扩散结深rj表面空间电荷区厚度xdTn沟道MOSFET短沟道长沟道n沟道MOSFET窄沟道宽沟道2020/4/284.3MOSFET阈值电压修正：VT随L的变化利用电荷共享模型分析（实际MOSFET）：源衬结和漏衬结的耗尽层向沟道区扩展耗尽层内近S/D区的部分体电荷的电力线中止于源漏区近似认为：左右下方两个三角形内的耗尽层电荷在VDB、VSB下产生，只梯形内的空间电荷由VGS控制产生。理想情况（长沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对少，近似栅氧下方耗尽层电荷都是在VGS控制产生实际情况（短沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对增加，实际需VGS控制产生的电荷减少，VT减小fpFBoxSDTNVCQV2|'|max＋2020/4/28LL4.3MOSFET阈值电压修正：VT随L的变化适用长沟道）：理想模型(的控制受只梯形内的耗尽层电荷适用短沟道）：实际情形GSV(WLxeNQVdTaBGS||控制的表面总电荷受dTaBxeNQ||max单位栅面积的表面电荷WLLxeNQVdTaBGS2'|'|控制的表面总电荷受)2'(1|'|maxLLLLLxeNQdTaB利用单位面积的表面电荷沟道越短，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越小，VT越小fpFBoxSDTNVCQV2|'|max＋2020/4/284.3MOSFET阈值电压修正：VT随W的变化fpFBoxSDTNVCQV2|'|max＋MOSFET半导体表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象中间矩形和两侧的空间电荷均在VGS作用下产生理想情况(宽沟器件)：两侧空间电荷的量相对少，可忽略，只中间矩形内的耗尽层电荷需要栅压产生实际情况(窄沟器件)：两侧空间电荷的量相对多，不可忽略，阈值反型点需VGS产生的耗尽层电荷增多，VT增大沿沟宽W的器件剖面图2020/4/284.3MOSFETVT随W的变化:表面电荷LxdT241241圆柱体的体积：边缘两个dTaBdTaBGSxeNQWLxeNQV｜单位面积的表面电荷｜｜控制的表面总电荷｜受适用宽沟道）：理想模型max(WxxeNQxLWLxeNQVdTdTaBdTdTaBGS21|'|2|'|(max单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用窄沟道）：实际情形fpFBoxSDTNVCQV2|'|max＋若栅边缘处耗尽层的扩展相等，均为耗尽层最大厚度XdT，则两侧为1/4圆沟道越窄，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越大，VT越大通过离子注入技术向沟道区注入杂质调整VT，改变了氧化层附近衬底的N。离子注入技术是微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容效应）。）＋－oxmsssmsfpoxssoxSDTNCQ'NfCQ'CQV,,,(2|'|maxdTaSDxeNQ|'|max2020/4/284.3MOSFET离子注入调整VT:原理p型半导体表面注入受主杂质Na（如B）→半导体表面净掺杂浓度↑→表面更难以反型→VT↑oxITTCeDVV02020/4/284.3MOSFET离子注入调整VT:原理受主注入剂量（单位面积注入的离子数）注入前的阈值电压p型半导体表面注入施主杂质Nd（如P）→半导体表面净掺杂浓度↓→表面更容易反型→VT↓oxITTCeDVV0施主注入剂量（单位面积注入的离子数）msfpoxssoxSDTNCQ'CQV2|'|max＋－dTaSDxeNQ|'|max公式前提：所有的注入杂质，都参与改变VT实际情况？？))((aSINNxD2020/4/284.3MOSFET离子注入调整VT:注入杂质分布IasIxNND)(注入后的平均掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度给定剂量Di后，对VT影响量与杂质注入到S后的分布函数相关Delta函数型分布阶跃函数型分布高斯函数型分布:更接近实际情况，分析较复杂oxITTCeDVV0XIXdT,oxITTCeDVV0XIXdT,VT利用NS求出注入深度单位面积注入的离子数DIXdT：注入后的最大耗尽