MOSFET地短沟道效应Word文档格式.docx

1、lD（VGs=0）=PnCdVt2 exp .（8.8）如果规定关断时（当Vgs）的电流比在（当Vgs=Vt ）的 电流小5个数量级，式（8.7）和式（8.8）的两边相除则 有（8.9）IGS 0 二 exp105Id Vgs =0 H Vt得到亚阈值电压的最小值为Vt =5 Vt ln10（8.10）如果 Cd/Cox J 0.76 .76则亚阈值电压的最小值是VT 仝Vt5ln10 =5 1.67 26mV 2.3 =500mV。如果还想将阈值电压降低到 400mV左右，那么就要减 小，=1 Cd/Cox 的值，使，=1 Cd/Cox =1.34。考虑到温度对阈值电压的影响，按比例缩小阈值

2、电压 将更加困难。阈值电压的温度系数 mV/K。导致dT阈值电压在温度范围（0-85C）内的变化是 85mV 制造工艺引起的最小变化也在 50mV之间。工艺和温度 引起的变化合计为135mV左右。因此，对增强型的MOS 器件其阈值电压一般都控制在0.5V : Vt : 0.9V之间。（B） 短沟道效应使阈值电压减小对理想MOSFE器件，我们是利用电荷镜像原理导出阈 值电压的表达式。见下图。p-type图81护型衬底，在阈值反型点时，MOS电容的电荷分布QmT +Qss = Qsd （max ） （8.11 ）式中忽略了沟道中的反型层电荷密度Qn , Qsd （max卜eNaXdT为最大耗尽层单

3、位面积电荷密度。这个电荷密度都由栅的有效面积控制。并忽略 了由于源/漏空间电荷区进入有效沟道区造成的对阈 值电压值产生影响的因素。图8.2a显示了长沟道的N沟MOSFE的剖面图 在平带的情况下，且源一漏电压为零，源端和漏端的 空间电荷区进入了沟道区，但只占沟道长度的很小一 部分。此时的栅电压控制看沟道区反型时的所有反型电荷和空间电荷，如图8.2b所示图82长沟道的y .平带时的情形4丨反型时的情形随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电荷密度减小。随看漏端电压的增大，漏端的空间电荷 区更严重地延伸到沟道区，从而栅电压控制的体电荷 会变得更少。由于栅极控制的沟道电荷区中的电荷数ft ）ox +

4、 +2丁屮ms 乙屮FpI Sx 我们可以用图8.3所示的模型，定量的计算出短沟道 效应对阈值电压造成的影响。假设源/漏结的扩散横向 与纵向相等，都为XjO这种假设对扩散工艺形成的结 来说是合理的，但对例子注入形成的结则不那么准确。 我们首先考虑源端、漏端和衬底都接地的情况。在短沟道情况下，假定栅极梯形区域中的电荷有栅极 控制。在阈值反型点，降落在沟道区的空间电荷区上 的势差为2 FP，源和漏结的内建电势差也约为 2 fp，这表明这三个空间电荷区的宽度 大体相等。如图8.3a oXs=Xd=XdT 8.13假定梯形区内的单位面积 平均电荷密度为Qb，则有（ LLXdT X Qb WL =eNa

5、WxdTL+eNaW 2 汉 （8.14）上式可以写成由图8.3b可以看出，有如下关系:L =L -2a 8.15由（ 8.15）式将（8.17 ）带入（8.18）带入（8.15 ）式Qb =eNaXrr 1 _十卜一1 （8.20）L训Xj丿与长沟道器件相比，短沟道器件阈值电压表达式应该写成Vtn =（Qb -Qss）二 +ms+2唁 （8.21）iSx丿考虑短沟道效应后，MOSFE器件的阈值电压会降低在这个模型的假设下，只有减小源/漏结的深度和增大 单位面积栅电容Cox，才能降低阈值电压的偏移量。另 外，式（8.22 ）是建立在源、沟道、漏的空间电荷区都相等的假设基础上推导出来的，如果漏端

6、电压增大，这会使栅控制的沟道电荷数量减少， L变短，使阈值电压变成了漏极电压的函数，随看漏极电压增大， N沟器件的阈值电压也会减小。习题：假定N沟器件的参数是 Na =3 1016cm,tox=30nm丄=0.8m xj =0.3m。求阈值电压的减小量 aVtn=0.753 0.181 二-0.136VMOSFET的窄沟道效应图&用于计算窄沟道效应的器件模型M勾沿沟道宽度方向的耗尽区剖面图QB =QbO * lQb - eNaWLxdT eNaLxdT i - XdT=eNaWLxdT 1 XdT 8.23a dT WMOSFET结构的表面空间电荷区电荷、电场、电容为了更详细地分析表面空间电荷

7、层的性质，可以通 过求解泊松方程，定量地求出表面层中的电场强度、 电势分布。为此，我们取x轴垂直于半导体的表面并指 向体内，规定x轴的原点在表面处。表面空间电荷区中 的电荷密度、电场强度和电势都是x的函数。在利用泊松方程求解之前，我们先做如下假设：（1）半导体的表面是无限大表面（表面尺寸远大 于空间电荷区的宽度，尽管这种假设会带来误差，但 其误差及其微小，可以忽略不计）；这样我们可以利用一维的泊松方程求解（2）为了讨论更一般的情况，半导体中的掺杂为补偿掺杂（这一假设更符合实际，因为NMO器件的沟 道大都是经过了补偿掺杂，以得到合适的阈值电压值； PMO器件的衬底N阱的形成也是在P型原始衬底经过

8、 补偿掺杂获得的）。（3）在半导体内部，假定表面空间电荷电离杂质 为一常数，且与体内相等，电中性条件成立，所以空 间电荷区的净浓度卞）=0（4）其净掺杂表现为P型半导体。空间电荷区的净浓度可以写成如下形式:：（x） =q|（Nd -NaJ （Pp -np）（8.25）其中Nd，Na-分别表示电离的施主杂质和电离的受主杂 质浓度；如果在常温下杂质完全电离，则有Ndip。（这 是因为我们假设其掺杂为补偿掺杂），Na-=Pp ； Pp,np分 别表示x点处的P型半导体空穴（多子）浓度和电子（少 子）浓度。在上述假设下，一维泊松方程的表达式:一涸一 3 儿-Na_ Pp- np （8.26）s sd2

9、Vdx2将Ndip。和NJ ppo带入上式可以写成-（X）二np -npo Pp - ppo （8.27）s s上式中的；s是半导体的介电常数、括弧中的第一项是 （np -npo）是P型衬底的过剩少子浓度，第二项（Pp-Pp）P 型衬底的多子增量。其表达式分别由下式表示：将（8.28）和（8.29）两式带入式（8.27）的泊松方程:将上式两边同乘以dV，左边可以写成上式的E是电压为V时的电场强度。将半导体内的电场 设为零，对上式积分得EEdE 二2-（8.32）第一项积分得所以:将（8.30）式的右边对v积分得:_22quppo frJ、V Jnpo ,9VJ!E2- 彳 |exp+ -1+

10、exp -1邑LiVt丿Vt 一Pp0 -lVt丿一令LdV、V 1V Ti1一 一1 fsVtJ（8.49）qpp0当外加电压Vg为正，但其大小还不足以使表面处的本 征费米能级EFi弯曲到费米能级以下时，表面不会出现 反型，而处在耗尽状态。这时，表面势Vs大于零，且np0 电 项都可以略去，则远小于 Pp0， F函数中的空及 exp有Vs np0F 厂W Pp0 丿（8.50）将上式带入式（8.40）、（8.42）和式（8.43）中，可得1/2Ld 3Qs奕乂Ld 亠VsEs 2Vs（8.51）（8.52）Cs LS严 f 、1/2I纠 （qPp。丿 Vt 丿2 sVs.尿其中2是耗尽区宽度

11、。耗尽状态下的表面电容 qppo 丿的表达式跟平板电容的表达式一致。随看外加电压Vg增大，表面处位于禁带中央的本 征费米能级Ef下降到Ef之下，就会在表面处形成反型 层。反型可分为弱反型和强反型两种，以表面处少子 浓度与体内多子浓度的大小来界定。当表面处的少子浓度小于体内的多子浓度时，称为弱反型；当表面处 的少子浓度大于体内的多子浓度时，称为强反型。 表面处的少子浓度为时，上式为pPoexpg2Vt8.55 或（8.56）另一方面，根据波尔兹曼统计（8.57）Ppo 二 n exp Ef；Ef = n exp I kT丿比较式（8.56）和式（8.57）可得强反型临界条件是Vs =2 fp（8

12、.58）强反型临界条件时的能带图如下图所示。因为理半导体在阈佰反型点时的能带图式（8.59） -式（8.57）的两边np0expPp0-2 fpVT此时的f二 exp（8.60）带入F函数F 、十 1/2-Vs ）IIs 5 .（8.61） lU 丿 jjVs L Vt 时，-VsIV丿1Vs 2s （8.62） 1。式（8.61）可以简化F 1V nP0 j 丨 ”sV?瓦 一 T将上式带入式（8.40）、式（8.41） 和式（8.42）中得EsVt *丿一 2丸Mr rT/2亠2Vt Vs（8.63）=-（2%qNaVs）2 =-2叮心（2九）（8.64）Ld IMs 产 1（8.65）X

13、dqppo 丿 当Vs时，VsLM , F函数中的匹exp律 项随Vs指数增Ppo 加，其值较其它项都大的多，故可以略去其它项，可得! npoVs、f 1 ns_ 1丿（Ppo丿l2Vt 丿（Ppo jF VsVt pponpo（8.66）（8.67）J/22Vtq ns应该值得注意：一旦出现强反型，表面耗尽层宽度就 会达到最大值Xdm，不再随外电压的增加而增加。这是 因为反型层中的电子屏蔽了外电场的作用。5.电容一电压特性MOSt容结构是 MOSFE的核心，MOS器件和栅氧 化层一半导体界面处的大量信息可以从器件的电容 电压关系即c -V特性曲线中求得，MOS!件电容的定 义：dVG（8.7

14、0）其中，dQm是金属极板上单位面积电荷的微分变量，dVG 是穿过电容的电压的微分变量。假设栅氧化层中及栅氧化层-半导体界面处均无陷阱电荷。此时Vg =Vmos Vs（8.71）Qs是单位面积的表面电荷将上式带入（8.71）式，可得QsVg s Vs （8.73）Cox当栅压改变时，表面电荷和表面势随之改变。因此，dVG 学 dVs（8.74）将dQmjQs和上式的dVG带入（8.70）式为半导体的表面电容该式表明MO啄统的电容相当于氧化层电容与半导体 空间电荷层电容的串连。如下图所示T Vp - si下面讨论：（1）堆积状态的M0啄统电容前面的讨论已经得到堆积状态时的半导体表面电容 有（ 8

15、.47 ）式给出 Cs=Lexp】2Vld 2V带入式（8.78）式得（8.79）先考虑负偏压较大时的情形，这时-VsL 2Vt，Cs=exp乞I Cox，此时的MOS系统电容等于栅氧化层LD 、_ 2Vt 丿电容C=Cox O这是因为半导体的表面和体内都是同一类 型P型。见下图中的A B段。（2）平带状态平带状态的半导体表面电容的表达式由（8.49 ）式给所以此时的MOS系统电容为C C Cox CC = C FB = C -1 + J 1 +CoxZPp0 ；sqN皿0專统的电容由下式给出CC = J（8.81）1 Cox继续加大偏压时的，表面耗尽区宽度表现为最大值dm IV qPp。C

16、二 二（8.82）1 - Cxxdm。而此时的皿0專统电容变为最小值ns当Vs_2p时，表面电容的表达式由（8.69）给出，LD Pp0MOS统电容变为当Vg较大时，表面出现强反型，表面处的少子载流子 浓度ns显著增大，而反型层的厚度很小，使得表面电 容CsLQx。若反型层的载流子浓度的变化跟得上外加 电压的变化，则此时的电容即为栅氧化层电容。咼频i冬0金 席N型衬底MOS电容在低频时和栅压的函数关系图另外，理解MOS占构的总电容与栅压的关系还可以从下述关系来理解。c- =1 +Cox t +竺 x1 tox . xdCs ，s在积累区，耗尽区宽度为零，所以 -Cox ；随着栅电压 的增大，表面进入耗尽状态，耗尽区的宽度随栅压的 增大而展宽，因此，MOS结构的总电容随栅压的增加 而减小；当栅压增加到使耗尽区宽度为最大XdT时，MOS 结构的总电容有最小值Cmin ；继续增大栅电压V，表面 出现反型，反型层中的电子与 P型衬底及耗尽区宽度 形成反型层电容Cs，这可以看成是减小了耗尽区宽度 的结果，栅电压越高，表面反型层加厚，表面电容C5越 大（可以看成进一步减小了耗尽区的宽度），因此在 表面反型状态，随栅压的增大MOS吉构的总电容从最 小值Cmin逐渐增大，直至等于强反型状态的值 Cox。