第二章-MOSFET漏源电流模型

VDS很小时的反型电荷和耗尽电荷很小时的反型电荷和耗尽电荷很小时的反型电荷和耗尽电荷很小时的反型电荷和耗尽电荷1.4MOSFET漏源电流模型漏源电流模型漏源电流模型漏源电流模型线性区的线性区的线性区的线性区的IDS-VDS曲线曲线曲线曲线VDS对对对对反反反反型型型型电电电电荷荷荷荷的的的的影影影影响响响响饱和与非饱和漏源电流饱和与非饱和漏源电流饱和与非饱和漏源电流饱和与非饱和漏源电流N-MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线的输出特性曲线的输出特性曲线SPICELevel1模型模型模型模型MOSFET转移特性饱和区转移特性曲线DSGSIV−沟道在漏端的夹断V(y)和Eox沿沟道方向的变化饱和区少子浓度的二维分布理想地理想地理想地理想地，，，，当当当当VVVVGGGGVVVVthththth时时时时，，，，IIIIdsdsdsds＝＝＝＝0000，，，，实际实际实际实际IIIIdsdsdsds≠≠≠≠0000定义定义定义定义：：：：在阈值以下的漏极电流称为在阈值以下的漏极电流称为在阈值以下的漏极电流称为在阈值以下的漏极电流称为“亚阈电流亚阈电流亚阈电流亚阈电流”（（（（弱反型电流弱反型电流弱反型电流弱反型电流）。）。）。）。亚阈电流是由扩散而不是由漂移机制引起亚阈电流是由扩散而不是由漂移机制引起亚阈电流是由扩散而不是由漂移机制引起亚阈电流是由扩散而不是由漂移机制引起：：：：dydnqDJnny−=(0)()DSubnnnLIqADL−⇒=§1.5亚阈电流模型)exp()0(0kTqnnspφ=])(exp[)(0kTVqnLnDsp−=φ[]22exp(/)()1exp(/)/isDSubnDasnqkTWkTIqqVkTLqNddxφμφ=−−−定义d为表面势减小kT/q时的深度，即：sEqkTd/=0)(=−=xsdxxdEφ从而，电子流过的面积A＝Wd。再由爱因斯坦关系：nnqkTDμ=得到亚阈电流：，2)(2)(dSiaxxqNx−=εφ和asSidqNxφε2=得出：dSisdDxddQCεφ=−=DaSisassxCqNqNEdxddxxd===−=−=εφφφ2)(0其中ES由（1）当VDS几个kT/q，指数项可略，则IDSub与VDS无关；讨论讨论讨论讨论（2）IDSub∝nS，随表面势指数增加；（3）IDSub∝ni2，因此，与温度有关；（4）log(IDSub)–VGS为一直线，直线斜率的倒数称为“倒数亚阈斜率”，“亚阈摆动”，或“亚阈斜率”，记为S，单位：mV/decade。意思是：IDSub减小10倍，栅电压的变化。)log(DGIddVS=GDdVIdS)][ln()10ln(=自然对数自然对数自然对数自然对数：：：：GssssGssDGDdVddxddxdddkTqdVddIddVIdφφφφφφ−−−==)()(ln)(ln因为DassCqNdxdE=−=φSiDssCdxdddεφφ=−)(所以CD与xd从而φs有关，dSisdDxddQCεφ=−=为耗尽层电容sSiaDsssqNCdxddxdddφεφφφ21)(2==−−从而FsFφφφ2因为在弱反型：)]ln([iaFnNqkT=φ(2φS)-1比q/kT小，可忽略，从而得到：GsGDdVdkTqdVIdφ≈)(lnoxdsFBGCQVV/−+=φ又因为：1)1(−+=oxDGsCCdVdφ所以ln(10)(1)ln(10)DoxCkTkTSnqCq⇒=+=oxDCCn+=1n越→1，晶体管断态和通态之间的过渡越快。1)1()(ln−+=oxDGDCCkTqdVId因为∝nkTqVIGDexp所以2．．．．界面态的影响界面态的影响界面态的影响界面态的影响sititqNQφ−=itsititqNddQC=−=⇒φ/oxdsoxitoxoxmsoxdsoxsitoxoxmsGCQCqNCQCQCqNCQV−++−=−++−=φφφφφ)1(2．．．．界面态的影响界面态的影响界面态的影响界面态的影响oxitDsGCCCddV++=1φ则sdDddQCφ/−=注意)(/)1(60)1)(10ln(室温从而decademVCCCCCCqkTSoxitDoxitD++=++=n=1–3，所以S=60–180mV/decade。当今工艺水平：S=70–120mV/decade。S决定了保证断态条件所需的栅偏置，如要求：VG＝0时断态电流应比VG＝Vth时的ID小105倍。§1.6连续性模型前面推导的VGVth和VGVth(亚阈区)的模型都是基于实际的半导体物理。当当当当VG→→→→Vth时时时时，，，，方程之间的不连续性出现方程之间的不连续性出现方程之间的不连续性出现方程之间的不连续性出现∫∫−=DSVVinvnLDydVyQWdyI)()(0μ因为RFVVoxinvVVoxinvoxnVVoxinvoxnDIIydVCyQydVCyQLWCydVCyQLWCIpDpSDS−=−−−−=−=∫∫∫)()()()()()(μμ所以IF、IR称为“正向”和“反向”电流，Vp定义为：nVVVthGp−=（注：当S和衬底接地、VGVth时，Vp＝VDsat）EKV模型−+−−+=−=222/2exp1ln/2exp1ln2qkTVVqkTVVqkTLWCnIIIDpSpoxnRFDμ)(10SthGneffVVV−−+=θμμ迁移率与栅压的关系：SioxCεθ2Θ=Θ为迁移率约化因子例：在非饱和区：VS＝0，VDVp，VGVth（指数项比1大很多，略去1得到：EKV模型−−=−−=−=−−=22222221)()(221)2(21/2/22DDthGoxnDDthGoxnDpDoxnDppoxnDnVVVVLWCVnVVVLWCnVVVLWCnqkTVVqkTVqkTLWCnIμμμμ可见，与Level1模型的结果一致。§1.7沟道长度调制1.定义：当VDVDsat时，夹断点向源端移动，有效沟长收缩＝L－ΔL，称这种效应为沟长调制效应（CLM）。2．IDsat和ΔL地的计算一般地，求IDsat的方法是在线性区电流方程中用（L-ΔL）代替L，用VDsat代替VDS。。。。另一种简化方法：将电流变化作为漏压函数线性化，定义：)(DsatDDDsatVVII=≡VDVDsat时的饱和电流记为，则：'DsatI+−+=DsatADsatDDsatDsatVVVVII1'式中，VA是为正，常称为“厄尔利（Early）电压”。LVVVVILLILIDsatADsatDDsatDsatDsat)1('+−+=Δ−=用沟长表示有：'DsatI+−+−=ΔDsatADsatDVVVVLL111由此得到：LLILIDsatDsatΔ−∝∝1,1'注：§1.7沟道长度调制22(1)(1)111()DsatDsatDsatDSDsatDSLILIILLIIVLLLLLLLλΔ+Δ===≈+=+ΔΔ−Δ−−§1.7沟道长度调制实际模拟中，一般采用近似表达式：)1(ΔLL饱和输出电导（之前一直认为=0）：ADsatDsatADsatDDsatDsatVIVVIdVdIg≈+=≡'对于VDVDsat，输出曲线所有切线均交于VDS轴的截距-VA:DSLLVλΔ=沟长调制系数1.8改进的短沟道改进的短沟道改进的短沟道改进的短沟道MOSFET模型模型模型模型一一一一、、、、长沟道分析的限制长沟道分析的限制长沟道分析的限制长沟道分析的限制夹断条件要求无限载流子速度来维持恒定的电流（在载流子密度成为零的条件下）二二二二、、、、短沟道效应短沟道效应短沟道效应短沟道效应当L和漏极空间电荷区宽度为相同数量级时，即可考虑为短沟MOSFET。短沟效应使得Vth减小（长沟器件，Vth与L，W无关）Vth的减小来自三个效应的减小来自三个效应的减小来自三个效应的减小来自三个效应：（：（：（：（a））））源源源源/漏电荷分享漏电荷分享漏电荷分享漏电荷分享；；；；（（（（b））））漏致势垒降低漏致势垒降低漏致势垒降低漏致势垒降低（（（（DIBL）；（）；（）；（）；（c））））次表面穿通次表面穿通次表面穿通次表面穿通。。。。1.源/漏电荷分享将沟道耗尽区分为两部分：栅压控制部分和源衬/漏衬pn结势垒控制部分。'dQYau电荷分享模型：1）衬底均匀掺杂，Nb2）Vds＝0；3）源衬、漏衬pn结(结深)界面是半径为的圆拄形；jxjxbsbFSidmddsdqNVxxx/)2(20+===φεε4）源、漏端分享的沟道区电荷相等，栅控耗尽区的形状是梯形；5）栅控耗尽层宽度＝源/漏衬pn结的耗尽层宽度，即：考虑阈考虑阈考虑阈考虑阈值情况值情况值情况值情况梯形面积：2/)(1dmxLL+讨论讨论讨论讨论：：：：1)L较大时，L≈L1，梯形面积→L×(长沟MOSFET)dmxoxdFFbthCQVV−+=φ22)L较小时，L1L，栅控（VG）的耗尽区电荷减少，由图中直角三角形关系以及假设5有：222)()(dmjjdmxxxxx+=++0222=−+dmjjxxxxx简化简化简化简化：：：：)211(22jdmjdmjjjxxxxxxxx+±−=+±−=解解解解：：：：1.源/漏电荷分享1.源/漏电荷分享)121(−+=jdmjxxxxX必须为正必须为正必须为正必须为正：：：：)121(221−+−=−=jdmjxxxLxLL1'1()12(1)2dmadddmaLLqxNQLQqxNLL+==+1)121(1FxxLxjdmj≡−+−=sbFoxdmdddVFCFxqNFQQ+===φγ2111'则则则则：：：：面电荷密度oxdFFBthCQVV'2−+=φsbFFFBoxadmFFBthVFVFCNqxVV+++=++=φγφφ22211用代替'dQdQ短沟道MOSFET：F1为电荷分享因子，表示沟道中栅控耗尽层电荷在总耗尽电荷中所占份额，F11。对于长沟器件，F1→1，→'dQdQ当L小，VDS足够高时，源/漏耗尽区会连在一起，发生穿通：)4(2'LxxLxjjdm+=1.源/漏电荷分享1.源/漏电荷分享短沟效应引起的Vth变化量thVΔ121((−+⋅=−=ΔjdmjoxdthththxxLxCQVVV短）长）讨论讨论讨论讨论：（1）oxtoxt↑(↓）↑，短沟道效应大。因此，随着L不断减小，栅氧化层越来越薄。oxCthVΔ（2）NaNa↓,↑短沟道效应越大，在亚微米器件中，常用离子注入掺杂提高沟道区衬底表面浓度。dmx（3）↑短沟道效应大jxjxjxoxt和大，Na低的4μm器件的短沟效应和小，Na高的2μm器件。jxoxt短沟效应还与Vsb有关。Vsb↑，↑，短沟效应越严重。dmx2窄沟效应窄沟道效应窄沟道效应窄沟道效应窄沟道效应：：：：在薄栅氧化层和厚场氧化层（Locos隔离）之间存在一圆锥形的氧化层过渡区，引起附加耗尽电荷wQΔdmxWwQΔ相对Qd可忽略忽略dmxW~→Vth↑oxwwthCQVΔ=Δ,oxwsbFFFBthCQVVVΔ+++Φ+φγ22(窄沟）＝W↓，Vth↑L较大时，窄沟器件的Vth为:小尺寸效应：L、W的尺寸→xdm时为小尺寸器件，一级近似：wthlththVVV,,Δ+Δ≈ΔoxwoxlsbFFFBthCQCQVVVΔ+Δ−+++=φγφ223333漏致势垒降低效应漏致势垒降低效应漏致势垒降低效应漏致势垒降低效应(drain-inducedbarrierlowering,DIBL)漏致势垒降低漏致势垒降低漏致势垒降低漏致势垒降低:02()[()]SidmSsbaxyVVyqNεεφ=++当L较小时，S端势垒