场效应器件物理-第四章：MOS场效应晶体管.ppt

XIDIDIAN UNIVERSITY第四章 MOS场效应晶体管非理想效应场效应器件物理最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/1914.3 MOSFET 亚阈值电流: 定义亚阈值电流p理想MOSFET：ID=0p实际实际 MOSFET：存在亚阈值电亚阈值电 流Idsubp亚阈区，VGS稍小于VT，u表面势势：u半导导体表面处处于弱反型区u弱反型沟道，形成亚阈值电亚阈值电 流IDsubpIDsub形成机制？最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 亚阈值电流: 形成机制n沟道MOSFETp堆积状态：势垒很高电子无 法跃过无法形成表面电流p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p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势能参考点最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 亚阈值电流:对器件的影响o亚阈电亚阈电 流表达式:uID与VGS有关，且随VGS指数增加，u若VDS4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，IDsub近似与VDS无关半对数坐标中亚阈电流与VGS之间呈现直线 最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 亚阈值电流:对器件的影响p亚阈值摆亚阈值摆 幅S（Subthreshold swing）：漏电电流减小一个数量级级所需的栅压栅压变变化量，S=dVGS/d(lgIDsub)pS也是半对对数亚阈亚阈 特性曲线线斜率的倒数u两点法求斜率：(VGS=VT, Ion)，(VGS0, 10-10(Ioff)）uk= (lgIon- lgIoff) /(VT VGS0), S=1/kpS小好？大好？u Ion变为变为 Ioff ，器件关断uk越大（S越小），VGS的降低能快速关断器件uS是量化MOS管如何随栅压栅压 快速关断的参数p亚阈值摆亚阈值摆 幅S影响因素uS(Cox+Cdep+Cit)/Cox； Cit:界面陷阱电电容u减薄栅栅氧厚度（Cox增大）、降低衬衬底掺杂掺杂 （Cdep减小）、减小表面陷阱密度（Cit减小） 最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 亚阈值电流:对器件的影响o开关特性变变差：uVGS略低于VT时时，理论论上器件关闭闭u由于存在亚阈电亚阈电 流，器件无法正常关闭闭。

o静态态功耗增加：uCMOS电电路，总总有MOS管处处于截止态态，若VGS只是稍低于VT，理论论器件截止，静态态功耗为为0但IDsub存在，静态态功耗增大uI Dsub只有纳纳安到微安量级级但大规规模IC中包含有上千万甚至数亿亿个器件，总总的 I Dsub可能达到数个安培.p减小I Dsub影响的措施u增大COX，减小亚阈亚阈 值值摆摆幅，使器件可以快速关断u提高关断/待机状态态下器件的阈值电压阈值电压 VT：通过过衬衬底和源之间间加反偏，使VT增加， 从而使VGSVT.VGS下器件脱离弱反型，处处于耗尽区，无I Dsub ，静态态功耗大幅降低最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 亚阈值电流的应用o 亚域区的利用： u VGS比VT小，存在Idsub,，可认为器件导通u 与正常导通相比，ID小，功耗小u 亚域区内栅压变， Idsub变，可实现放大u 低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区p 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最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 沟道长度调制效应:机理p理想长沟：LL，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和p实际器件(短沟)：L L ，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加,沟道长度调制效应最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 沟道长度调制效应:模型p沟道长度调制效应系数：p不是一个常数，和沟长有关：p放大应用时，影响电压放大倍数的参数：饱和区输出电阻u模拟放大电路的MOSFET器件的沟道长度，一般较大：Ro大u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p利用前面L模型得出的I-V公式，繁琐不易计算,不适合于器件模型p考虑沟道长度调制效应的IV常用表达式：电流随着VDS的升高而上升最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化p沟道中的电场u由VDS形成的沿沟道方向的电场分量u由VG形成的与沟道垂直方向的电场分量u对载流子迁移率的影响，随着电场的增强，变得都不可忽略最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(1)u 表面散射：表面电荷散射和 表面不平整散射最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(2)p表面迁移率（记为eff）与反型层中垂直方向的电场Eeff关系：u0和E0为实验曲线的拟合参数u0为低场表面迁移率uE0为迁移率退化时的临界电场uEeff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：peff受温度影响大：晶格散射最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(3)uVGS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p对漏电流、跨导的影响最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:Si的情形临界电场强度饱和漂移速度pE较低时， 为常数，半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比pE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 ,使载流子的下降最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(2)p有效迁移率（记为）常用经验公式：p载流子速度饱和，VDS ,载流子v 不变,电流饱和：u若为常数，VDS， E,v ，直到漏端夹断， 发生夹断饱和u速度饱和时，器件还未发生夹断饱和， 属于提前饱和，最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应 u饱和漏源电流与栅压成线性关系u饱和区跨导与偏压及沟道长度无关u截止频率与栅压无关最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应pVGSVT0(较较小)：强反型区，器件易发发生夹夹断饱饱和， ID与VGS 平方关系，中电电流， gm与VGS线线性关系pVGSVT0(很大)：器件很难发难发 生夹夹断饱饱和，易发发生速度饱饱和， 大电电流，但跨导饱导饱 和。

p模拟拟放大电电路设计设计 中：放大用MOSFET避免工作在速度饱饱和区， 因为为跨导导不变变，消耗的电电流（功耗）却在增加, 接近就OK，使gm较较大最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 阈值电压修正： VT与L、W的相关性漏、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窄沟道宽沟道最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 阈值电压修正： VT随L的变化p利用电荷共享模型分析（实际MOSFET）：u源衬结和漏衬结的耗尽层向沟道区扩展u耗尽层内近S/D区的部分体电荷的电力线中止于源漏区u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p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u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减小最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 阈值电压修正： VT随L的变化p沟道越短，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越小，VT越小最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 阈值电压修正： VT随W的变化pMOSFET半导体表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象u中间矩形和两侧的空间电荷均在VGS作用下产生u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u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的器件剖面图最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET VT随W的变化:表面电荷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p沟道越窄，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越大，VT越大最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/19p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。

p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p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）4.3 MOSFET 离子注入调整VT:原理最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/19pp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VT4.3 MOSFET 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pp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施主注入剂量（单位面积注入的离子数）n公式前提：所有的注入杂质，都参与改变VTn实际情况？最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 离子注入调整VT:注入杂质分布注入后的平均掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度p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uDelta函数型分布u阶跃函数型分布u高斯函数型分布:更接近实际情况，分析较复杂XIXdT, VT利用NS求出注入深度单位面积注入的离子数DIXdT：注入后的最大耗尽层厚度最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET MOSFET IC的发展若尺寸缩小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50pMOSFET IC的发展趋势：u0.25um0.18 um0.13um90nm60nm 45nm 32nm 22nm 16nm，每一代工艺uL kL，k 0.7，p尺寸缩小好处：u提高集成度：同样功能所需芯片面积更小u提升功能：同样面积可实现更多功能u降低成本：单管成本降低u改善性能：速度加快，单位功耗降低最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/19p完全按（恒定电场）比例缩小(Full Scaling)u 尺寸与电压按同样比例缩小u 电场强度保持不变u 最为理想，但难以实现（器件阈值电压不能按比例缩小）4.3 MOSFET 缩小方式p恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling)u尺寸按比例缩小，电压保持不变u电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重p一般化按比例缩小(General Scaling)u尺寸和电场按不同的比例因子缩小u迄今为止的实际做法最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 完全按比例缩小:规则最新半导体器件物理-MOSFET32021/11/194.3 MOSFET 完全按比例缩小:结果n按比例缩小的参数：尺寸与电压按同样比例缩小n器件尺寸参数（L，tox，W，xj）：k倍n掺杂浓度（Na，Nd）：1/k倍n电压V：k倍n对其他器件参数的影响n电场E： 1倍n耗尽区宽度Xd： k倍n电阻R（与W/L成正比。