半導(dǎo)體物理及器件第十一章1

1、半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件陳延湖陳延湖nMOSFET器件特性的非理想特性器件特性的非理想特性nMOSFET的按比例縮小理論的按比例縮小理論（SCALING DOWN）nMOSFET的閾值電壓修正的閾值電壓修正本章重點(diǎn)問題：本章重點(diǎn)問題：第十一章第十一章 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管：概念的深入金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管：概念的深入本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：n非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)(11.1 )n亞閾值電導(dǎo)亞閾值電導(dǎo)n溝道長度調(diào)制溝道長度調(diào)制n遷移率變化速度飽和遷移率變化速度飽和n彈道輸運(yùn)彈道輸運(yùn)nMOSFE按比例縮小理論按比例縮小理論(11.2 )n恒定電場按比例縮小恒定電場按比例縮小

2、n準(zhǔn)恒電場按比例縮小準(zhǔn)恒電場按比例縮小nMOSFET閾值電壓修正閾值電壓修正(11.3 )n短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)n窄溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)nMOSFET的附加電學(xué)特性（的附加電學(xué)特性（11.4）n擊穿電壓擊穿電壓n離子注入進(jìn)行閾值調(diào)整離子注入進(jìn)行閾值調(diào)整11.1.1亞閾值電導(dǎo)亞閾值電導(dǎo)n亞閾值電導(dǎo)：當(dāng)柵源電壓亞閾值電導(dǎo)：當(dāng)柵源電壓Vgs小于或等于閾值小于或等于閾值電壓電壓Vt時，時，MOS漏電流漏電流ID并不為零，該電流并不為零，該電流稱為亞閾值電流，對應(yīng)的溝道電導(dǎo)稱為亞閾值稱為亞閾值電流，對應(yīng)的溝道電導(dǎo)稱為亞閾值電導(dǎo)。電導(dǎo)。MOSMOS工作狀態(tài)工作狀態(tài)亞閾值區(qū)亞閾值區(qū)截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)線性

3、區(qū)線性區(qū)表面狀態(tài)表面狀態(tài)多子積累和耗盡區(qū)多子積累和耗盡區(qū)弱反型區(qū)弱反型區(qū)強(qiáng)反型區(qū)強(qiáng)反型區(qū)強(qiáng)反型區(qū)強(qiáng)反型區(qū)( (夾斷部分夾斷部分) )2fpSfpVn源到柵到漏的勢壘結(jié)構(gòu)源到柵到漏的勢壘結(jié)構(gòu)圖圖c c為偏置在亞閾值區(qū)，源到柵的勢壘結(jié)構(gòu)，為偏置在亞閾值區(qū)，源到柵的勢壘結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)類似于該結(jié)構(gòu)類似于NPNNPN型雙極晶體管的勢壘分布型雙極晶體管的勢壘分布亞閾值區(qū)亞閾值區(qū)漏電流漏電流I ID D隨隨V VGSGS的變化規(guī)律為指數(shù)關(guān)系的變化規(guī)律為指數(shù)關(guān)系N NP PN Nn該指數(shù)規(guī)律可以表達(dá)為：該指數(shù)規(guī)律可以表達(dá)為：()exp() 1 exp()/GSDSDVVIsubkT ekT e當(dāng)當(dāng)V VDSDS

4、大于幾個大于幾個kT/ekT/e時時()exp()/GSDVIsubkT e例題：例題：n考慮一個被偏置于亞閾值區(qū)的考慮一個被偏置于亞閾值區(qū)的MOSFET，VDSKT/e，基于以上理想指數(shù)電流關(guān)系，基于以上理想指數(shù)電流關(guān)系，要使漏電流變化要使漏電流變化10倍，柵電壓應(yīng)如何變化。倍，柵電壓應(yīng)如何變化。 柵壓每改變柵壓每改變60mV,60mV,就會引起亞閾值電流一個數(shù)量級就會引起亞閾值電流一個數(shù)量級的改變，亞閾值區(qū)具有很好的柵控效應(yīng)。的改變，亞閾值區(qū)具有很好的柵控效應(yīng)。112122exp()/exp()/exp()/GSGSGSDGSDVVVIkT eVIkT ekT e1122ln()0.025

5、9ln(10)60DGSGSDIkTVVmVeIn含有數(shù)個含有數(shù)個MOSFET的大規(guī)模集成電路中，的大規(guī)模集成電路中，亞閾亞閾值電流可以造成很大的功耗值電流可以造成很大的功耗，因此電路設(shè)計(jì)者，因此電路設(shè)計(jì)者必須考慮亞閾值電流的影響。應(yīng)保證必須考慮亞閾值電流的影響。應(yīng)保證MOSFET被偏置在遠(yuǎn)低于閾值電壓的狀態(tài)從而使器件處被偏置在遠(yuǎn)低于閾值電壓的狀態(tài)從而使器件處于徹底關(guān)斷狀態(tài)。于徹底關(guān)斷狀態(tài)。nMOS的的亞閾值區(qū)增益較大，具有雙極晶體管的亞閾值區(qū)增益較大，具有雙極晶體管的特性特性，且漏電流較小，在低電壓，低功耗電路，且漏電流較小，在低電壓，低功耗電路中有一定應(yīng)用價值。中有一定應(yīng)用價值。11.1.

6、2 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)n溝道長度調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)MOSFET偏置在飽和偏置在飽和區(qū)時，漏源電壓區(qū)時，漏源電壓VDS使漏端的耗盡區(qū)橫向延使漏端的耗盡區(qū)橫向延伸而進(jìn)入溝道，伸而進(jìn)入溝道，溝道被夾斷，從而減少了有溝道被夾斷，從而減少了有效溝道長度，影響到漏電流效溝道長度，影響到漏電流IDS的大小。的大小。LTGSDSVVsatV)()(satVVVDSDSDSDSV2)()(2TGSoxnDVVLLCWIDSVDI漏源電壓漏源電壓VDS對漏電流對漏電流ID有調(diào)制作用有調(diào)制作用求求L與與的關(guān)系：的關(guān)系：對漏和襯底形成的對漏和襯底形成的NPNP結(jié)，其可視為單邊突變結(jié)，結(jié)，其

7、可視為單邊突變結(jié)，施加的施加的VDSVDS可認(rèn)為全部落在可認(rèn)為全部落在P P襯底上，則漏源電壓襯底上，則漏源電壓為為VDSVDS時，漏時，漏- -襯底結(jié)的空間電荷寬度為：襯底結(jié)的空間電荷寬度為：)(2DSBAspVVqNx當(dāng)當(dāng))(satVpVpDSDSxxLDSVTGSDSDSVVsatVV)(2()sBDSBDSaLVVVVsateN襯底摻雜濃度越低，溝道調(diào)制效應(yīng)越強(qiáng)；襯底摻雜濃度越低，溝道調(diào)制效應(yīng)越強(qiáng)；DDILLLI)(溝道長度溝道長度L L越短越短, ,溝道長度調(diào)制效應(yīng)越強(qiáng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)越強(qiáng)n此時此時MOSFET的飽和區(qū)漏電流可寫為：的飽和區(qū)漏電流可寫為：溝道長度調(diào)制系數(shù)溝道長度調(diào)制系

8、數(shù)2() (1)2nDGSTDSk WIVVVL輸出電阻：輸出電阻：121()()2nDoGSTDSk WIrVVVL1oDrI例例0. 51. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 04. 00. 51. 01. 52. 00. 02. 5VD Ssi ge_nm os3p3_0p6. . D C . I D S. i , m Asi ge_nm os3p3_1p2. . D C . I D S. i , m AD evi ce I -V C urvesL=2.4umL=0.6umID11.1.3-4 遷移率變化及速度飽和遷移率變化及速度飽和n影響遷移率的三個主要因素：影響遷移率的

9、三個主要因素：器件工作溫度器件工作溫度T T由由MOSMOS柵壓產(chǎn)生的垂直電場柵壓產(chǎn)生的垂直電場由由MOSMOS漏源電壓產(chǎn)生的橫向溝道電場漏源電壓產(chǎn)生的橫向溝道電場2)(2TGSoxnDVVLCWIn溫度升高，反型層電子遷移率下降溫度升高，反型層電子遷移率下降晶格散射晶格散射*3/23/21ieBNmATTMOSFETMOSFET的漏電流隨溫度升高而下降的漏電流隨溫度升高而下降例例0. 51. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 04. 00. 51. 01. 52. 00. 02. 5VD Ssi ge_nm os3p3_1p2. . D C . I D S. i , m Asi

10、 ge_nm os3p3_1p2_150. . D C . I D S. i , m AD evi ce I -V C urvesT=25degreeT=-25degereeIDn柵壓升高，遷移率下降柵壓升高，遷移率下降 對對N N溝道器件，正柵壓使電子被吸溝道器件，正柵壓使電子被吸引到半導(dǎo)體的表面，而隨后又由于電引到半導(dǎo)體的表面，而隨后又由于電子間的庫倫力而被排斥，從而產(chǎn)生載子間的庫倫力而被排斥，從而產(chǎn)生載流子的流子的表面散射效應(yīng)表面散射效應(yīng)。隨著柵壓的升。隨著柵壓的升高，表面散射效應(yīng)變強(qiáng)，載流子的遷高，表面散射效應(yīng)變強(qiáng)，載流子的遷移率下降。移率下降。n溝道橫向水平電場增強(qiáng)，遷移率下降，超過

11、臨溝道橫向水平電場增強(qiáng)，遷移率下降，超過臨界場強(qiáng)出現(xiàn)速度飽和界場強(qiáng)出現(xiàn)速度飽和E 由于由于強(qiáng)電場效應(yīng)強(qiáng)電場效應(yīng)，VDS所致的水平電場所致的水平電場E將將使載流子微分遷移率下降，并最終降為使載流子微分遷移率下降，并最終降為0 0，此時，此時載流子發(fā)生速度飽和，載流子發(fā)生速度飽和，IDSIDS也會提前進(jìn)入飽和狀也會提前進(jìn)入飽和狀態(tài)。態(tài)。2)(2)(TGSoxnDVVLCWsatIsatTGSOXDvVVWCsatI)()(電子的飽和速度電子的飽和速度飽和漏電流修正飽和漏電流修正n速度飽和導(dǎo)致：速度飽和導(dǎo)致：nVDS(sat）比理想關(guān)系）比理想關(guān)系小小nID(sat）大約是）大約是VGS的的線性函數(shù)

12、，而不是前面線性函數(shù)，而不是前面所述的理想平方律關(guān)系，所述的理想平方律關(guān)系，因而因而ID（sat）比理想）比理想值小值小satTGSOXDvVVWCsatI)()(電子的飽和速度電子的飽和速度n隨著隨著MOSFET溝道長度的縮小，溝道長度溝道長度的縮小，溝道長度L與載流子的散與載流子的散射間的平均自由距離相比擬，此時載流子的一部分可以不射間的平均自由距離相比擬，此時載流子的一部分可以不經(jīng)散射而到達(dá)源漏極，這種運(yùn)動稱為彈道輸運(yùn)經(jīng)散射而到達(dá)源漏極，這種運(yùn)動稱為彈道輸運(yùn)n彈道輸運(yùn)彈道輸運(yùn)：載流子以比平均漂移速度或飽和速度更快的速：載流子以比平均漂移速度或飽和速度更快的速度輸運(yùn)度輸運(yùn)n彈道輸運(yùn)發(fā)生于亞

13、微米器件（彈道輸運(yùn)發(fā)生于亞微米器件（L1um)，隨著，隨著MOSFET技術(shù)發(fā)展，彈道輸運(yùn)會變得更加重要技術(shù)發(fā)展，彈道輸運(yùn)會變得更加重要n非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)nMOSFET按比例縮小理論按比例縮小理論n閾值電壓修正閾值電壓修正n。nMOSFET的按比例縮?。ǖ陌幢壤s?。╯caling down）理）理論：論：22)(2)(2)(TGSoxoxnTGSoxnDVVLtWVVLCWsatI由由氧化層厚度氧化層厚度 按按一定比例同時減小一定比例同時減小L，tox和和W，可保持可保持Ids不變，不變，但器件占用面積但器件占用面積WL減小減小，電路集成，電路集成度提高?？s小度提高?？s小MOSFETMOS

14、FET尺寸是尺寸是集成集成電路工藝發(fā)展電路工藝發(fā)展的的總趨勢總趨勢。MOSFET按比例縮小的三種方案：按比例縮小的三種方案：恒定電場按比例縮小恒定電場按比例縮小恒定電壓按比例縮小恒定電壓按比例縮小準(zhǔn)恒定電場按比例縮小準(zhǔn)恒定電場按比例縮小( (通通用按比例縮小理論）用按比例縮小理論）n恒定電場按比例縮小：指恒定電場按比例縮?。褐钙骷叽绾碗娫措妷浩骷叽绾碗娫措妷旱鹊缺壤乜s小，而電場（水平和垂直）保持不變。比例地縮小，而電場（水平和垂直）保持不變。從而確保器件的可靠性從而確保器件的可靠性若若V Vdsds V Vdsmax=VDDdsmax=VDD不變的情況下，減小不變的情況下，減小L L將導(dǎo)

15、致?lián)舸╇妷航档蛯?dǎo)致?lián)舸╇妷航档蚽恒定電場按比例縮小方案：恒定電場按比例縮小方案：2()/sodbiDdaxVkVkxeNk oxox , ,kttkWWkLLkNNkVVADDDD/ Axdxd1k耗盡層厚度變化：耗盡層厚度變化：工作電流的變化：工作電流的變化：DTGoxosnDkIVkVkLktkWI2)(閾值電壓的變化：閾值電壓的變化：2/(2)2/asofpTHfpFBTHOXeNkVVkVCk 功耗的變化：功耗的變化：PkkIkVIVPDDDD2n恒定電場按比例縮小方案優(yōu)點(diǎn)：恒定電場按比例縮小方案優(yōu)點(diǎn)：n電路密度增加電路密度增加(1/k2)倍倍n功耗降低功耗降低(k2)n器件時延降低

16、器件時延降低(k) 倍倍n器件器件fT提高提高(k2) 倍倍n電場恒定，器件可靠性好電場恒定，器件可靠性好n恒定電場按比例縮小方案缺點(diǎn)：恒定電場按比例縮小方案缺點(diǎn)：n電源電源電壓下降，導(dǎo)致電路動態(tài)范圍及噪聲容限減小電壓下降，導(dǎo)致電路動態(tài)范圍及噪聲容限減小n閾值電壓減小，導(dǎo)致較大的亞閾值電流閾值電壓減小，導(dǎo)致較大的亞閾值電流n按恒定電壓按比例縮小方案的優(yōu)點(diǎn)：恒定電壓按比例縮小方案的優(yōu)點(diǎn)：n電路密度增加電路密度增加(1/k2) 倍倍n器件速度器件速度1/k2倍提高倍提高n系統(tǒng)的電源電壓不用改變系統(tǒng)的電源電壓不用改變n 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n電路功耗電路功耗1/k倍增大倍增大n器件內(nèi)部電場增強(qiáng)器件內(nèi)部電場增

17、強(qiáng)準(zhǔn)恒電場按比例縮小方案準(zhǔn)恒電場按比例縮小方案n在在MOSIC發(fā)展中實(shí)際上采用的是發(fā)展中實(shí)際上采用的是不完全等比例不完全等比例的的縮小規(guī)則，或叫作優(yōu)化的按比例縮小規(guī)則?？s小規(guī)則，或叫作優(yōu)化的按比例縮小規(guī)則。n當(dāng)特征尺寸縮小到深亞微米，采用的是準(zhǔn)恒定電當(dāng)特征尺寸縮小到深亞微米，采用的是準(zhǔn)恒定電場的不等比例縮小規(guī)則。場的不等比例縮小規(guī)則。參參 數(shù)數(shù)縮小的比例系數(shù)縮小的比例系數(shù)器件尺寸器件尺寸k電電 壓壓k摻雜濃度摻雜濃度/k11/k11/kk1k1耗盡層寬度變化耗盡層寬度變化? ?電場強(qiáng)度變化電場強(qiáng)度變化? ? 工作電流變化工作電流變化? ?功耗變化功耗變化? ?n準(zhǔn)恒電場按比例縮小方案：準(zhǔn)恒電場

18、按比例縮小方案：器件特性的變化舉例：器件特性的變化舉例：2()/sodbiDdaxVkVkxeNk EkLkVED耗盡層寬度耗盡層寬度電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度工作電流工作電流DTGoxosnDIkVVkkLktkWI22)(PkIkkVIVPDDDD232功耗功耗數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)來源：THE INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS （ITRS) 間距間距But “forever” can be delayedn非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)nMOSFET按比例縮小理論按比例縮小理論n閾值電壓修正閾值電壓修正n短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)n窄溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)

19、n。短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)n短溝道效應(yīng)：在增強(qiáng)型短溝道器件中，短溝道效應(yīng)：在增強(qiáng)型短溝道器件中，源端和漏端源端和漏端PN結(jié)結(jié)的空間電荷區(qū)會進(jìn)入有效溝道區(qū)的空間電荷區(qū)會進(jìn)入有效溝道區(qū)，即柵下耗盡區(qū)電荷很大，即柵下耗盡區(qū)電荷很大一部分被源漏一部分被源漏PN結(jié)所提供，因此只需要較少的柵電荷就結(jié)所提供，因此只需要較少的柵電荷就可以達(dá)到反型，從而使可以達(dá)到反型，從而使Vth降低，且降低，且隨溝道長度隨溝道長度L的減小，的減小，Vth下降的越多。下降的越多。sGDSQQQ2sTHfpOxQVC GQVthVth降低降低GQDSQDSQXdXdXsXsMOS:MOS:MOSFET:MOSFET:2sTHfpo

20、xQVC 2GTHfpoxQVC THTHTHVVV1()THGsoxVQQC ？GQDSQDSQXdXdXsXsMOS:MOS:MOS:MOS:令：令：柵下空間電荷區(qū)厚度為柵下空間電荷區(qū)厚度為XdTXdT漏源空間電荷區(qū)厚度漏源空間電荷區(qū)厚度XsXs，XdXd。源漏擴(kuò)散結(jié)深為源漏擴(kuò)散結(jié)深為rjrj假設(shè)：假設(shè)：dsdTxxx則總反型空間電荷面密度：則總反型空間電荷面密度：()adTSadTeN WLxQeN xWL XdTXdTXsXsXdXd1 ()22adTGadTeNLL WxLLQeN xWLL 由柵壓控制的反型電荷為圖中梯形區(qū)域：由柵壓控制的反型電荷為圖中梯形區(qū)域：則：則：1()(1)

21、2THGSoxAdTOVQQCeN xLLCL 由幾何推導(dǎo)可得：由幾何推導(dǎo)可得：GQDSQDSQXdXdXsXs222)2()(dTjdTjxLLrxr所以：所以： 1212jdTjrxrLL分析分析則：則：2( 11)jadTdTTHoxjreN xxVCLr n隨著溝道長度的減小，閾值電壓負(fù)向移動量增加，短隨著溝道長度的減小，閾值電壓負(fù)向移動量增加，短溝道效應(yīng)明顯。溝道效應(yīng)明顯。n隨著隨著襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度的增加，發(fā)生短溝道效應(yīng)時，其閾的增加，發(fā)生短溝道效應(yīng)時，其閾值移動量也將變大。值移動量也將變大。n隨著隨著擴(kuò)散結(jié)深擴(kuò)散結(jié)深rj的變小，閾值移動量將減小，淺結(jié)可的變小，閾值移動量將減

22、小，淺結(jié)可以減小短溝道效應(yīng)。以減小短溝道效應(yīng)。n薄薄柵氧化層?xùn)叛趸瘜涌梢栽龃罂梢栽龃驝o，閾值偏移量也將減小，從而，閾值偏移量也將減小，從而減小短溝道效應(yīng)。減小短溝道效應(yīng)。例例11.3計(jì)算由短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化計(jì)算由短溝道效應(yīng)引起的閾值電壓的變化n考慮一個考慮一個n溝道溝道MOSFET，參數(shù)如下：，參數(shù)如下：Na=3x1016cm-3，tox=200，設(shè)，設(shè)L=1um，rj=0.3um。求。求THVXdTXsXsXdXdtox求氧化層電容：求氧化層電容：147283.9 8.85 101.726 10/200 10OXoxCF cmt16103 10ln()0.0259ln0.376

23、1.5 10afpTiNVn14191644(11.7)(8.85 10)(0.376)0.18(1.6 10)(3 10 )fpdTaxmeN計(jì)算反型電勢計(jì)算反型電勢V VB B: :計(jì)算表面空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）厚度計(jì)算表面空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）厚度: :代入以下公式求代入以下公式求1916472( 11)(1.6 10)(3 10 )(0.18 10 ) 0.32(0.18) 111.726 101.00.50.0726jadTdTTHoxjreN xxVCLrV THV 可見閾值電壓偏移為可見閾值電壓偏移為-0.0726V,-0.0726V,是比較大的，需要在是比較大的，需要在器件建模及設(shè)

24、計(jì)中加以考慮。器件建模及設(shè)計(jì)中加以考慮。若采用若采用薄柵氧化層，低襯底摻雜，淺源漏結(jié)工藝參數(shù)薄柵氧化層，低襯底摻雜，淺源漏結(jié)工藝參數(shù)重新計(jì)算重新計(jì)算Na=3x10Na=3x101616cm-3cm-3，tox=200tox=200，設(shè)，設(shè)L=1.0umL=1.0um，rj=0.3umrj=0.3umNa=10Na=101616cm-3cm-3，tox=120tox=120，設(shè)，設(shè)L=0.75umL=0.75um，rj=0.25umrj=0.25um則：則：0.0726THVV 0.0469THVV 當(dāng)溝道長度小于當(dāng)溝道長度小于2um2um時，短溝道效應(yīng)變的明顯時，短溝道效應(yīng)變的明顯窄溝道效應(yīng)窄

25、溝道效應(yīng)n窄溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)：當(dāng)：當(dāng)MOSFET的橫向?qū)挾鹊臋M向?qū)挾萕與溝道與溝道耗盡區(qū)寬度耗盡區(qū)寬度xdT可比擬時，在溝道寬度的兩側(cè)存可比擬時，在溝道寬度的兩側(cè)存在一個在一個附加的耗盡空間電荷區(qū)，導(dǎo)致器件的附加的耗盡空間電荷區(qū)，導(dǎo)致器件的VTH升高，且寬度升高，且寬度W越小，越小，VTH增加的越多。增加的越多。AQAQAAAQQQ2ATHfpOQVC 2ATHfpOQVC THTHVVAAQQAQAQ)/()2(2WLLxqNQdTAAdTAdTAAxqNWLWLxqNQWxCxqNVVVdTOdTATHTHTH2假設(shè)附加電荷區(qū)域?yàn)橐粋€半假設(shè)附加電荷區(qū)域?yàn)橐粋€半徑為徑為xdTxdT的四分之

26、一圓柱則：的四分之一圓柱則： 顯然，隨寬度顯然，隨寬度W W的逐漸變小，閾值的逐漸變小，閾值正向正向偏移量不可忽略，且越來越大。偏移量不可忽略，且越來越大。例例11.4設(shè)計(jì)溝道寬度使之窄溝效應(yīng)限制在某一值設(shè)計(jì)溝道寬度使之窄溝效應(yīng)限制在某一值n考慮一個考慮一個n溝溝MOSFET，參數(shù)如下：，參數(shù)如下：Na=3x1016cm-3，tox=200，假設(shè)附加電荷區(qū)域?yàn)樗?，假設(shè)附加電荷區(qū)域?yàn)樗姆种粓A柱，求溝道寬度分之一圓柱，求溝道寬度W最小值，使閾值電壓偏移量限最小值，使閾值電壓偏移量限制在制在0.2V.WxCxqNVVVdTOdTATHTHTH2解：解：由由得：得：TOXdTAVCxqNW)2(21

27、47283.9 8.85 101.726 10/200 10OXoxCF cmtmqNVxaBdT18. 0)103)(106 . 1 ()376. 0)(1085. 8)(7 .11(44161914由條件可知：由條件可知：所以：所以：21916427()(1.6 10)(3 10 )()(0.18 10 )22(1.726 10 )(0.2)0.708AdTOXTqNxWCVmn小結(jié)：窄溝道器件使小結(jié)：窄溝道器件使閾值變大，而短溝道閾值變大，而短溝道器件使閾值電壓變小。器件使閾值電壓變小。n同時受窄溝和短溝道同時受窄溝和短溝道效應(yīng)影響的器件，不效應(yīng)影響的器件，不是兩個效應(yīng)的簡單疊是兩個效應(yīng)

28、的簡單疊加，要建立更為精確加，要建立更為精確的三維模型進(jìn)行計(jì)算。的三維模型進(jìn)行計(jì)算。短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)nMOSFET基本工作原理基本工作原理nMOSFET的頻率限制特性的頻率限制特性n非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)nMOSFET按比例縮小理論按比例縮小理論n閾值電壓修正閾值電壓修正(小尺寸效應(yīng)：短溝，窄小尺寸效應(yīng)：短溝，窄溝）溝）nMOS擊穿特性擊穿特性MOSFET擊穿特性擊穿特性柵氧化層擊穿柵氧化層擊穿n柵氧化層擊穿：當(dāng)柵氧化層中的電場變得足夠柵氧化層擊穿：當(dāng)柵氧化層中的電場變得足夠大，擊穿就會發(fā)生，對二氧化硅擊穿時場強(qiáng)為大，擊穿就會發(fā)生，對二氧化硅擊穿時場強(qiáng)為6x106V/cm

29、左右。左右。例如：例如：VVbreakdowd301050010686tox=500時時 因氧化層中可能產(chǎn)生缺陷等，通常安全柵壓低于因氧化層中可能產(chǎn)生缺陷等，通常安全柵壓低于30V，若安全因子為，若安全因子為3，則上述結(jié)構(gòu)安全柵壓為，則上述結(jié)構(gòu)安全柵壓為10VMOSFET擊穿特性擊穿特性雪崩擊穿雪崩擊穿n雪崩擊穿：漏極附近的空間電荷區(qū)離化可以造雪崩擊穿：漏極附近的空間電荷區(qū)離化可以造成雪崩擊穿。成雪崩擊穿。倍增效應(yīng)倍增效應(yīng)22scritbreakdowdaEVeN襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度臨界擊穿臨界擊穿場強(qiáng)場強(qiáng)例如：例如：P型襯底摻雜濃度型襯底摻雜濃度Na=3X1016cm-3，對應(yīng)，對應(yīng)擊穿

30、電壓為擊穿電壓為25v。但實(shí)際。但實(shí)際的雪崩擊穿電壓會低于該的雪崩擊穿電壓會低于該值。值。MOSFET擊穿特性擊穿特性雪崩擊穿雪崩擊穿 漏極是一個相當(dāng)淺的擴(kuò)漏極是一個相當(dāng)淺的擴(kuò)散區(qū)并發(fā)生彎曲，彎曲處電散區(qū)并發(fā)生彎曲，彎曲處電場有集中趨勢，從而降低了場有集中趨勢，從而降低了擊穿電壓。擊穿電壓。MOSFET擊穿特性擊穿特性寄生晶體管擊穿寄生晶體管擊穿n寄生晶體管擊穿寄生晶體管擊穿MOSFET擊穿特性擊穿特性寄生晶體管擊穿寄生晶體管擊穿n寄生寄生NPN晶體管的導(dǎo)通和擊晶體管的導(dǎo)通和擊穿導(dǎo)致穿導(dǎo)致mos器件的雪崩擊穿器件的雪崩擊穿曲線出現(xiàn)反轉(zhuǎn)和負(fù)阻特性。曲線出現(xiàn)反轉(zhuǎn)和負(fù)阻特性。n該現(xiàn)象涉及一個正反饋的

31、過該現(xiàn)象涉及一個正反饋的過程程MOSFET擊穿特性擊穿特性寄生晶體管擊穿寄生晶體管擊穿1 碰撞電離導(dǎo)致碰撞電離導(dǎo)致載流子倍增載流子倍增2 空穴空穴被掃入被掃入襯底襯底3 空穴電流造成的電勢降落引空穴電流造成的電勢降落引起源起源-襯底結(jié)的正偏襯底結(jié)的正偏4 附加的電子附加的電子注入并流到漏注入并流到漏1 碰撞電離導(dǎo)致碰撞電離導(dǎo)致載流子倍增載流子倍增2 空穴被掃入襯底空穴被掃入襯底3 空穴電流造成的電勢降落引空穴電流造成的電勢降落引起源起源-襯底結(jié)的正偏襯底結(jié)的正偏4 附加的電子附加的電子注入并流到漏注入并流到漏MMIICBOC1mBDDSCEVVM)/(11當(dāng)反轉(zhuǎn)擊穿時當(dāng)反轉(zhuǎn)擊穿時:/1MCI加

32、大加大M較小較小因而：因而：對對NPN晶體管晶體管DSCEV較小較小倍增因子倍增因子則則MOSFET擊穿特性擊穿特性源漏穿通效應(yīng)源漏穿通效應(yīng)n源漏穿通效應(yīng)源漏穿通效應(yīng)(漏誘導(dǎo)勢壘降低漏誘導(dǎo)勢壘降低DIBL）：漏）：漏-襯底空襯底空間電荷區(qū)間電荷區(qū)完全經(jīng)過溝道區(qū)延展到完全經(jīng)過溝道區(qū)延展到源源-襯底空間電荷區(qū)，襯底空間電荷區(qū)，此時源、漏之間的勢壘完全消失，從而產(chǎn)生較大的此時源、漏之間的勢壘完全消失，從而產(chǎn)生較大的電流。電流。例：計(jì)算理論上的穿通電壓，假設(shè)例：計(jì)算理論上的穿通電壓，假設(shè)pn結(jié)為突變結(jié)結(jié)為突變結(jié)n考慮一個考慮一個n溝溝MOSFET，源，漏摻雜濃度為，源，漏摻雜濃度為Nd=1019cm-3，Na=1016設(shè)溝道長度為設(shè)溝道長度為L=1.2um，源和體區(qū)接地。，