第11章--MOSFET概念深入

第十一章MOSFET概念的深入2015-12第11章MOSFET概念的深入11．1非理想效应11．2MOSFET按比例缩小理论11．3阈值电压的修正11．4附加电学特性11．5辐射和热电子效应*211.1非理想效应与理想推导和实验结果偏离的五种效应：（1）亚阈值电导（2）沟道长度调制（3）沟道迁移率的变化（4）速度饱和（5）弹道输运11.1非理想效应亚阈值电流:定义亚阈值电流：VGS≤VT时的电流称为亚阈值电流。TGVV区半导体表面处于弱反型fpsfp24理想伏安特性，当栅源电压时，漏电流ID为0；实际实验中，当时，ID不为0；TGVV11.1非理想效应亚阈值电流:比较施加小的漏电压时，n沟道MOSFET沟道表面势示意图堆积状态：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→电子有一定的几率越过势垒→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。511.1非理想效应亚阈值电流:电压特性无关即与，略大时，如漏源电压DS（sub)DDSDSVITkTeVVK300,V104.0/4改变一个数量级），改变（当与栅源电压成指数关系（sub)DS（sub)DIVImV60GIDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。611.1非理想效应沟道长度调制效应:机理LILLLLVVDDSDS1饱和区：7当MOSFET偏置在饱和区时，漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，从而减小了有效沟道长度。12.1非理想效应沟道长度调制效应:模型1视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展1()()2()()spfpDSsatfpDSsataxVVeN沟道夹断时漏衬结空间电荷区宽度结反偏压2()()2()()spfpDSsatDSfpDSsatDSaxVVVVeN沟道夹断后漏衬结空间电荷区宽度＋结反偏压＋][2)()(12satDSfpDSsatDSfpasppVVVeNxxΔL＋夹断区长度()()'DDsatDsatLIIILL漏源电流2()()2noxDsatGSTWCIVVL812.1非理想效应沟道长度调制效应:模型2()axeN夹断区的电荷密度（与空间座标无关）satsat0sat0E()EE(EE)xaxsseNxxxdx夹断区内点的电场强度边界条件2sat()0()0)E)E()2xaDSsatxDSsatseNxxxxdxxVV夹断区内点的电势（（边界条件2sat0E()()(0)E2ΔLaDSseNΔLΔVxdxΔLΔL夹断区两端的电势差satsatDSDSfpasVVeNΔL)([2)(夹断区长度2sat2E2assateN其中E()sdxdx夹断区横向电场满足的一维泊松方程912.1非理想效应沟道长度调制效应:影响因素著沟道长度调制效应越显的绝对值越大越小衬底掺杂浓度ΔLNa著沟道长度调制效应越显的相对值越大越小沟道长度ΔLLID的实测值高于理论值在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加()2[()sfpDSDSsatsataΔLVVeN()'DDsatLIILL1011.1非理想效应迁移率变化: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11seff111011.1非理想效应迁移率变化:纵向电场的影响(2)体迁移率(典型值600cm2/Vs,NMOS）表面迁移率000(,)1(())1effGSGSTsfVxVVVx典型值0.0300[()]1[()]1()1ln1()DSVoxDGSTnxGSTnGSTnDSDSGSTnWCIVVVxdVLVVVxVVVVVV随VGS-VTn↑而↑变缓有效迁移率：有效迁移率经验表达式：1212.1非理想效应迁移率变化:漂移速度与电场的关系峰值电场强度峰值漂移速度饱和漂移速度cm/s10)8~6(cm/V101.1,cm/s103:InPcm/s10)8~6(cm/V105.3,cm/s102:GaAscm/V105,cm/s101:Si63763747seppseppCsevEvvEvEv1311.1非理想效应迁移率变化:Si的情形（104V/cm)Ev低场：迁移率不随E而变高场：迁移率随E增加而下降强场：迁移率与E成反比dEdv高电压易饱和时，短沟道易饱和（)V/cm105Eμm1,V54LVLVEDSDS1411.1非理想效应迁移率变化:GaAs、InP的情形（104V/cm)与Si相比，GaAs、InP的特点：•存在漂移速度峰值•迁移率大•存在负微分迁移率区•饱和漂移速度小1511.1非理想效应12.1.4迁移率变化:速度饱和效应漏源电流下降提前饱和TGSsatDSVVV)(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1611.1非理想效应弹道输运非弹道输运MOSFET沟道长度L0.1μm，大于散射平均自由程；载流子从源到漏运动需经过多次散射；载流子运动速度用平均漂移速度表征；弹道输运MOSFET沟道长度L0.1μm，小于散射平均自由程；载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运；高速器件、纳米器件；17在MOSFET中，当沟道长度小于载流子的碰撞距离时，载流子中的一大部分可以不经过散射就能从源端到达漏端，这种载流子运动称为弹道输运。11.2按比例缩小为什么要缩小MOSFET尺寸?提高集成度：同样功能所需芯片面积更小；提升功能：同样面积可实现更多功能；降低成本：单管成本降低；改善性能：速度加快，单位功耗降低；若尺寸缩小30％，则•栅延迟减少30％，工作频率增加43％；•单位面积的晶体管数目加倍；•每次切换所需能量减少65％，节省功耗50％；18完全按比例缩小(FullScaling)尺寸与电压按同样比例缩小；电场强度保持不变；最为理想，但难以实现；11.2按比例缩小缩小方式恒压按比例缩小(FixedVoltageScaling)尺寸按比例缩小，电压保持不变；电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重；一般化按比例缩小(GeneralScaling)尺寸和电场按不同的比例因子缩小；迄今为止的实际做法；1911.2按比例缩小完全按比例缩小:规则2(2)2afpTFBfpoxeNVVC＋xE',''DSWkWLkLV不变DSkVG'IVSV特性不变'TVG,SkVTkVyE'oxt不变,oxkt'DDxkx'/DSDaVxNaaNNk])(2[22DSDSTGSoxnDVVVVLCWI(,kk第一项后二项与无关）2011.2按比例缩小完全按比例缩小:结果WLkLW2''沟道面积LWLW'沟道宽长比RWLR'导通电阻oxoxoxkCtWLC'总栅电容DDkIVLWI'漏源电流DIkIVP'2功率pWLPp'功率密度kRC'延迟时间2111.2按比例缩小完全按比例缩小:小结2211.3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23LL11.3阈值电压修正VT随L的变化:表面空间电荷短沟道效应dTaBdTaBGSxeNQWLxeNQV||||(max单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用长沟道）：理想模型)2'(1|'|2'|'|(maxLLLLLxeNQWLLxeNQVdTaBdTaBGS利用单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用短沟道）：实际情形2411.3阈值电压修正VT随L的变化:ΔL的计算LL源-体结空间电荷区宽度表面空间电荷区宽度漏-体结空间电荷区宽度源、漏pn结结深dTdsTGBDSxxxVVV）（）假定：（2;,01121jdTjrxrL12111||'maxjdTjdTadTaBrxLrxeNLLxeNQjdTrxjrLdTx250121TTjdTjoxdTaTrxLrCxeNVVV（长沟道）（短沟道）12112|'|2maxjdTjoxdTafpFBoxBfpFBTrxLrCxeNVCQVV若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少11.3阈值电压修正VT随L的变化:ΔVT的计算-0.140Vμm18.0,V376.0,F/cm1067.7μm5.0,μm25.1,nm45,cm103MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaΔVxCrLtN沟道计算实例26DSTVV漏源电压||||//TaTjVNVrL表面电荷密度衬底掺杂浓度源漏扩散结深沟道长度11.3阈值电压修正VT随L的变化:关系曲线VDS0VBS0BSTVV体源电压2711.3阈值电压修正VT随W的变化:表面电荷窄沟道效应max(GSBadTBadTVQeNxWLQeNx理想模型适用宽沟道）：受控制的表面总电荷｜｜单位面积的表面电荷｜｜max(|'|2|'|12GSBadTdTdTBadTVQeNxWLLxxQeNxW实际情形适用窄沟道）：受控制的表面总电荷单位面积的表面电荷LxdT241241圆柱体的体积为边缘两个28WXCxeNVVdoxdTafpFBT212max02((WxCxeNVVVdToxdTaTTT宽沟道）窄沟道）WxCxeNVdToxdTaT圆柱体，则若沟道边缘非4/1若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加11.3阈值电压修正VT随W的变化:ΔVT的计算0.2Vμm18.0,V376.0,F/cm1067.7/2μm,5.0,μm59.1,nm45,cm103MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaΔVxCrWtN沟道计算实例2911.3阈值电压修正VT随W的变化:关系曲线||TaVN表面空间电荷密度衬底掺杂浓度||//TdTVxW表面空间电荷区厚度沟道宽度3011.3阈值电压修正离子注入调整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0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）注入前的阈值电压3111.3阈值电压修正离子注入调整VT:注入杂质分布1、Delta函数型分布)