第11章MOSFET概念深入

1、第十一章第十一章MOSFETMOSFET概念的深入概念的深入2015-12第第1111章章MOSFETMOSFET概念的深入概念的深入n11111 1非理想效应非理想效应n11112 MOSFET2 MOSFET按比例缩小理论按比例缩小理论n11113 3阈值电压的修正阈值电压的修正n11114 4附加电学特性附加电学特性n11115 5辐射和热电子效应辐射和热电子效应* *211.1 11.1 非理想效应非理想效应n与理想推导和实验结果偏离的五种效应：与理想推导和实验结果偏离的五种效应：（1 1）亚阈值电导）亚阈值电导（2 2）沟道长度调制）沟道长度调制（3 3）沟道迁移率的变化）沟道迁移率

2、的变化（4 4）速度饱和）速度饱和（5 5）弹道输运）弹道输运11.1 11.1 非理想效应非理想效应 亚阈值电流亚阈值电流: : 定义定义亚阈值电流：亚阈值电流：V VGSGSVVT T时的电流时的电流称为亚阈值电流。称为亚阈值电流。TGVV 区半导体表面处于弱反型fpsfp24理想伏安特性，当栅源电压理想伏安特性，当栅源电压时，漏电流时，漏电流ID为为0；实际实验中，当实际实验中，当 时时，ID不为不为0；TGVV 11.1 11.1 非理想效应非理想效应 亚阈值电流亚阈值电流: : 比较比较施加小的漏电压时，施加小的漏电压时，n n沟道沟道MOSFETMOSFET沟道表面势示意图沟道表面

3、势示意图堆积状态：堆积状态：势垒很高势垒很高电子无法电子无法跃过跃过无法形成表面电流；无法形成表面电流；弱反型状态：弱反型状态：势垒较低势垒较低电子有电子有一定的几率越过势垒一定的几率越过势垒形成亚阈形成亚阈值电流；值电流；强反型状态：强反型状态：势垒极低势垒极低大量大量电电子越过势垒子越过势垒形成沟道电流。形成沟道电流。511.1 11.1 非理想效应非理想效应 亚阈值电流亚阈值电流: : 电压特性电压特性无关即与，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)DIVImV60GI

4、IDsubDsub-V-VDSDS曲线的斜率是半导体掺杂浓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曲线斜率的测量来实验确定氧化层- -半导体界面态密度。半导体界面态密度。611.1 11.1 非理想效应非理想效应 沟道长度调制效应沟道长度调制效应: :机理机理LILLLLVVDDSDS1饱和区：7当当MOSFETMOSFET偏置在饱和偏置在饱和区时，漏端的耗尽区区时，漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道横向延伸而进入沟道，从而减小了有效沟，从而减小了有效沟道长度。道长度。12.1 12.1 非理想效应非理想效应 沟道长度调制效

5、应沟道长度调制效应: :模型模型1 1视作漏视作漏- -衬衬pnpn结空间结空间电荷区的扩展电荷区的扩展1()()2()()spfpDS satfpDS sataxVVeN沟道夹断时漏衬结空间电荷区宽度 结反偏压2()()2()()spfpDS satDSfpDS satDSaxVVVVeN沟道夹断后漏 衬结空间电荷区宽度 结反偏压2)()(12satDSfpDSsatDSfpasppVVVeNxxL夹断区长度()()DD satD satLIIILL漏源电流2()()2noxD satGSTWCIVVL812.1 12.1 非理想效应非理想效应沟道长度调制效应沟道长度调制效应: :模型模型2

6、 2( )axeN 夹断区的电荷密度 （与空间座标无关）satsat0sat0E( )EE(EE)xaxsseN xxxdx 夹断区内 点的电场强度 边界条件2sat()0()0)E)E()2xaDS satxDS satseN xxxx dxxVV 夹断区内 点的电势（边界条件2sat0E( )()(0)E2LaDSseN LVx dxLL夹断区两端的电势差 satsatDSDSfpasVVeNL)(2)(夹断区长度2sat2E2assateN其中E( )sdxdx夹断区横向电场满足的一维泊松方程 912.1 12.1 非理想效应非理想效应 沟道长度调制效应沟道长度调制效应: :影响因素影响

7、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 LNa著沟道长度调制效应越显的相对值越大越小沟道长度 LLI ID D的实测值高于理论值的实测值高于理论值在饱和区，实测在饱和区，实测I ID D随随V VDSDS增增加而缓慢增加加而缓慢增加()2()sfpDSDS satsataLVVeN()DD satLIILL1011.1 11.1 非理想效应非理想效应迁移率变化迁移率变化: :纵向电场的影响纵向电场的影响(1)(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 表面散射表面散射11seff111011.1 11.1 非理想效应非理想效应迁移率变化迁移率变化

8、: :纵向电场的影响纵向电场的影响(2)(2)体迁移率体迁移率(典型值典型值600cm2/Vs, NMOS）表面迁移率表面迁移率000(, )1( )1effGSGSTsf VxVVV x典型值典型值0.0300( )1( )1()1ln1()DSVoxDGSTnxGSTnGSTnDSDSGSTnWCIVVV x dVLVVV xVVVVVV随随VGS-VTn而而变缓变缓 有效迁移率：有效迁移率：有效迁移率经验表达式：有效迁移率经验表达式：1212.1 12.1 非理想效应非理想效应迁移率变化迁移率变化: :漂移速度与电场的关系漂移速度与电场的关系峰值电场强度峰值电场强度峰值漂移速度峰值漂移速

9、度饱和漂移速度饱和漂移速度cm/s10)86(cm/V101 . 1,cm/s103:InPcm/s10)86(cm/V105 . 3,cm/s102:GaAscm/V105,cm/s101:Si63763747seppseppCsevEvvEvEv1311.1 11.1 非理想效应非理想效应 迁移率变化迁移率变化:Si:Si的情形的情形（104V/cm)Ev低场：迁移低场：迁移率不随率不随E而变而变高场：迁移率随高场：迁移率随E增加而下降增加而下降强场：迁移率强场：迁移率与与E成反比成反比dEdv高电压易饱和时，短沟道易饱和（)V/cm105Em1,V54LVLVEDSDS1411.1 11

10、.1 非理想效应非理想效应 迁移率变化迁移率变化:GaAs:GaAs、InPInP的情形的情形（104V/cm)与与SiSi相比，相比，GaAsGaAs、InPInP的特点：的特点：存在漂移速度峰值存在漂移速度峰值迁移率大迁移率大存在负微分迁移率区存在负微分迁移率区饱和漂移速度小饱和漂移速度小1511.1 11.1 非理想效应非理想效应12.1.412.1.4迁移率变化迁移率变化: :速度饱和效应速度饱和效应漏源电流下降漏源电流下降 提前饱提前饱和和 TGSsatDSVVV)(饱和漏源电饱和漏源电流与栅压成流与栅压成线性关系线性关系 饱和区跨导饱和区跨导与偏压及沟与偏压及沟道长度无关道长度无关

11、 截止频率与截止频率与栅压无关栅压无关 1611.1 11.1 非理想效应非理想效应 弹道输运弹道输运n非弹道输运非弹道输运MOSFETMOSFETn沟道长度沟道长度L L0.10.1m m，大于散射平均自由程；，大于散射平均自由程；n载流子从源到漏运动需经过多次散射；载流子从源到漏运动需经过多次散射；n载流子运动速度用平均漂移速度表征；载流子运动速度用平均漂移速度表征；n弹道输运弹道输运MOSFETMOSFETn沟道长度沟道长度L L0.10VBS0BSTVV 体源电压2711.3 11.3 阈值电压修正阈值电压修正 V VT T随随W W的变化的变化: :表面电荷表面电荷 窄沟道效应窄沟道

12、效应max(GSBadTBadTVQeN x WLQeN x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|12GSBadTdTdTBadTVQeN xWLLxxQeN xW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 LxdT241241圆柱体的体积为边缘两个28WXCxeNVVdoxdTafpFBT212max02(WxCxeNVVVdToxdTaTTT宽沟道）窄沟道）WxCxeNVdToxdTaT圆柱体，则若沟道边缘非4/1若沟道宽度若沟道宽度W W窄到与表面空间电荷区宽度窄到与表面空间电荷区宽度x xdTdT相当时，阈相当时，阈值电压

13、值电压V VT T与沟道宽度与沟道宽度W W有关，此时有关，此时V VT T随随W W的减少而增加的减少而增加11.3 11.3 阈值电压修正阈值电压修正 V VT T随随W W的变化的变化: :V VT T的计算的计算0.2Vm18. 0,V376. 0,F/cm1067. 7/2m,5 . 0,m59. 1,nm45,cm103MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaVxCrWtN沟道计算实例2911.3 11.3 阈值电压修正阈值电压修正 V VT T随随W W的变化的变化: :关系曲线关系曲线|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30

14、11.3 11.3 阈值电压修正阈值电压修正 离子注入调整离子注入调整V VT T: :原理原理np p型半导体表面注入受主杂质型半导体表面注入受主杂质N Na a（如（如B B）半导体表面净掺半导体表面净掺杂浓度杂浓度表面更难以反型表面更难以反型V VT ToxITTCeDVV0受主注入剂量受主注入剂量（单位面积注（单位面积注入的离子数）入的离子数）注入前的阈值电压注入前的阈值电压p p型半导体表面注入施主杂质型半导体表面注入施主杂质N Nd d（如（如P P）半导体表面净掺杂浓度半导体表面净掺杂浓度表表面更容易反型面更容易反型V VT ToxITTCeDVV0施主注入剂量施主注入剂量（单位

15、面积注（单位面积注入的离子数）入的离子数）注入前的阈值电压注入前的阈值电压3111.3 11.3 阈值电压修正阈值电压修正 离子注入调整离子注入调整V VT T: :注入杂质分布注入杂质分布1 1、DeltaDelta函数型分布函数型分布)(aSINNxD 2 2、阶跃函数型分布、阶跃函数型分布 IasIxNND)( 3 3、高斯函数型分布：、高斯函数型分布：更接近实际情况，分析较复杂。更接近实际情况，分析较复杂。平均注入掺杂浓度平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入前的掺杂浓度平均注入掺杂浓度平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度注入深度反型时，反型时，x xdTdTxxxI

16、 I,V,VT T由由D DI I决定；决定；3211.4 11.4 击穿特性击穿特性 MOSFETMOSFET主要击穿机构主要击穿机构。漏源击穿漏源击穿BVBVDSDS：漏：漏pnpn结击穿，与结击穿，与V VDSDS、V VGSGS均有关均有关栅源击穿栅源击穿BVBVGSGS：栅氧化层击穿，只与：栅氧化层击穿，只与V VGSGS有关有关3311.4 11.4 击穿特性击穿特性 栅栅- -源介质击穿源介质击穿n击穿现象击穿现象nV VGSGSBVBVGSGS氧化层电场强度氧化层电场强度E Eoxox 临界电场强度临界电场强度E EB B(0.51)x10(0.51)x107 7V/cmV/c

17、m时，氧化层发生介电击穿时，氧化层发生介电击穿n当氧化层厚度当氧化层厚度50nm50nm时，时，BVBVGSGS=30V=30V，若，若E EB B6x106x106 6V/cmV/cm，则要，则要求工作电压求工作电压V VGSGS10V10V（安全余量为（安全余量为3 3）n击穿过程击穿过程n针孔针孔凹坑凹坑空洞空洞崩塌崩塌n电流电流II温度温度TT电流电流II，形成热电正反馈，形成热电正反馈n击穿场强的来源击穿场强的来源n栅压栅压V VGSGS：E EoxoxVVGSGS/t/toxoxn栅感应电荷栅感应电荷Q QI I：E EoxoxQQI I/t/toxoxC Coxox3411.4

18、11.4 击穿特性击穿特性 漏漏pnpn结击穿结击穿35漏极是一个相当浅的扩漏极是一个相当浅的扩散区并发生弯曲，耗尽散区并发生弯曲，耗尽区的电场在弯曲处有集区的电场在弯曲处有集中的趋向。中的趋向。11.4 11.4 击穿特性击穿特性 沟道雪崩倍增效应沟道雪崩倍增效应SIDIsubI发自发自S S端的载流子（形成电流端的载流子（形成电流I IS S）受沟道电场的加速在）受沟道电场的加速在D D端附近发生雪崩倍增，端附近发生雪崩倍增，产生的电子被漏极收集（加入产生的电子被漏极收集（加入I ID D），产生的空穴注入衬底（产生），产生的空穴注入衬底（产生I Isubsub）雪崩倍增形成条件：雪崩倍增

19、形成条件：n 短沟道：短沟道：L L越短，越短，沟道电场越强沟道电场越强n n n沟道：空穴的沟道：空穴的碰撞电离率小于电碰撞电离率小于电子，产生雪崩倍增子，产生雪崩倍增的临界电场强度大的临界电场强度大于电子于电子) 111MIMISD（雪崩倍增因子3611.4 11.4 击穿特性击穿特性 寄生晶体管效应寄生晶体管效应) 1) 1(111MIMIMIIISSSDSub（DsubsubsubsubDIIVIRSI从 注入沟道的电子数所致）不是因（这种出现负阻效应所需的维持大电流DSDSVIVIDD沟道）（短沟道，）沟道雪崩倍增（；）（形成条件：n201subRSIDIsubI3711.4 11.

20、4 击穿特性击穿特性 源漏穿通效应源漏穿通效应空间电荷区交接，势垒空间电荷区交接，势垒消失了，漏电流增大消失了，漏电流增大38n短沟道器件穿通特性曲线短沟道器件穿通特性曲线11.4 11.4 击穿特性击穿特性 源漏穿通效应源漏穿通效应3911.4 11.4 击穿特性击穿特性 轻掺杂漏轻掺杂漏(LDD)(LDD)晶体管晶体管传统结构传统结构LDDLDD结构结构漏区掺杂浓漏区掺杂浓度较高且分度较高且分布梯度较陡布梯度较陡漏区掺杂浓漏区掺杂浓度较低且分度较低且分布梯度较缓布梯度较缓降低了电场峰降低了电场峰值及分布梯度值及分布梯度40DMOS(DMOS(双扩散双扩散MOSFET)MOSFET)埋沟埋沟

21、MOSFETMOSFETSOISOI结构结构( (绝缘体上硅绝缘体上硅) )将器件制作在绝缘膜或绝缘衬底上形成的单晶硅上将器件制作在绝缘膜或绝缘衬底上形成的单晶硅上。11.4 11.4 击穿特性击穿特性4111.5 11.5 可靠性效应可靠性效应 MOSFETMOSFET的辐射效应的辐射效应辐射产生氧化辐射产生氧化层电荷层电荷辐射产生辐射产生界面态界面态x x射线、射线、射线等离化辐射将射线等离化辐射将SiOSiO2 2中的电子中的电子- -空穴对打开，同时产生空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴自由电子和自由空穴辐射产生的电子在辐射产生的电子在SiOSiO2 2中很快移出栅极中很快移出栅极

22、（迁移率（迁移率20cm20cm2 2/V/Vs s）辐射产生的空穴通过辐射产生的空穴通过SiOSiO2 2的随机的随机跃迁缓慢地向跃迁缓慢地向Si-SiOSi-SiO2 2界面移动界面移动（迁移率（迁移率1010-4-41010-11-11cmcm2 2/V/Vs s）到达到达Si-SiOSi-SiO2 2界面的空穴一部分注界面的空穴一部分注入入SiSi中，另一部分被界面附近的中，另一部分被界面附近的空穴陷阱所俘获，呈现正的空间空穴陷阱所俘获，呈现正的空间电荷，使电荷，使V VT T向负方向移动向负方向移动离化辐射打开离化辐射打开Si-SiOSi-SiO2 2界面的饱和键，界面的饱和键，产生

23、界面陷阱。在禁带下部为施主态，产生界面陷阱。在禁带下部为施主态，上部为受主态，可部分补偿辐射引入上部为受主态，可部分补偿辐射引入的正氧化层电荷对的正氧化层电荷对V VT T的影响的影响4211.5 11.5 可靠性效应可靠性效应 辐射产生氧化层电荷辐射产生氧化层电荷: :特性特性1 1正栅压下，辐射引入的空穴向硅一侧移动正栅压下，辐射引入的空穴向硅一侧移动，且栅压，且栅压V VG G中途未被复合而最终到达中途未被复合而最终到达Si-SiOSi-SiO2 2界面附近且被陷阱俘获的空穴数界面附近且被陷阱俘获的空穴数引入的附加正电荷量引入的附加正电荷量平带电压漂移平带电压漂移量量| |V Vfbfb

24、|当当Si-SiOSi-SiO2 2界面附近的界面附近的空穴陷阱全被占据时，空穴陷阱全被占据时，平带电压漂移量趋于平带电压漂移量趋于饱和饱和负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧移动负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧移动引入附引入附加正电荷的作用较弱，且基本不随加正电荷的作用较弱，且基本不随V VG G的变化而变化的变化而变化4311.5 11.5 可靠性效应可靠性效应 辐射产生氧化层电荷辐射产生氧化层电荷: :特性特性2 2离化辐射剂量离化辐射剂量rad(Si)p p沟道沟道MOSFETMOSFET：导通电压为负栅压，故：导通电压为负栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果弱辐射产生氧化层电荷的效果弱n

25、 n沟道沟道MOSFETMOSFET：导通电压为正栅压，：导通电压为正栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果强故辐射产生氧化层电荷的效果强辐射剂量很高时，辐射辐射剂量很高时，辐射引入的界面态产生，阈引入的界面态产生，阈值电压变化反转。值电压变化反转。4411.5 11.5 可靠性效应可靠性效应 辐射产生界面态辐射产生界面态: :特性特性1 1亚阈值电流（亚阈值电流（A）在亚阈区，在亚阈区，I ID D-V-VGSGS曲线的斜率是界面态密度的函数曲线的斜率是界面态密度的函数辐射总剂量越辐射总剂量越大，则引入的大，则引入的界面态密度越界面态密度越大大不同总离化辐射剂量下的亚阈值电流与栅压的函数关系不同总

26、离化辐射剂量下的亚阈值电流与栅压的函数关系4511.5 11.5 可靠性效应可靠性效应 辐射产生界面态辐射产生界面态: :特性特性2 2界面态的生成还会受氧化层电场的影响。界面态的生成还会受氧化层电场的影响。离化辐照后，离化辐照后，界面态密度逐界面态密度逐渐上升，并在渐上升，并在1001001000s1000s后后才能达到其稳才能达到其稳定值定值4611.5 11.5 可靠性效应可靠性效应 热电子效应热电子效应在漏区附近的沟道中因在漏区附近的沟道中因雪崩倍增产生的高能电雪崩倍增产生的高能电子，有可能受正栅压所子，有可能受正栅压所产生的纵向电场作用，产生的纵向电场作用，越过越过Si-SiOSi-SiO2 2界面势垒，界面势垒，进入进入SiOSiO2 2层中，此电子层中，此电子的能量比热平衡是要高的能量比热平衡是要高很多，因此称为很多，因此称为热电子。热电子。 产生栅电流（产生栅电流（pAfApAfA量级）。量级）。 产生负的充电效应，引入负氧化层电荷，使产生负的充电效应，引入负氧化层电荷，使V VT T正向漂移。正向漂移。