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文档简介
Chapter6.5:TheMOSFieldEffectTransistorPresentedby:LeiWang6.5.5ControlofthresholdvoltageChoiceofgateelectrode:Al,WSix,p+-Si,etc.d:thicknessi:SiO2,SiNOx,Ta2O5,ZrO2,PZT26.5.5ControlofthresholdvoltageControlofCi:(1)dthicknessofgateoxideandfieldoxide(2)highimaterial:Ta2O5,ZrO2andferroelectricsGateoxideandfieldoxide36.5.5ControlofthresholdvoltageProblem:Considerann+polysilicon-SiO2–Sip-channeldevicewithNd=1016cm-3andQi=5×1010qC/cm2.CalculateVTforagateoxidethicknessof0.01μmandrepeatforafieldoxidethicknessof0.5μm.Фms=-0.25V.Solutions:VTforagateoxidethicknessof0.01μmis-1.1V,andforafieldoxidethicknessof0.5μmis-9.1V.56.5.5Controlofthresholdvoltage66.5.5ControlofthresholdvoltageIonimplantation(离子注入)mainparameters:implantationenergy(注入能量)keVimplantationdose(注入剂量)ions/cm2Neff=Nd-NaVTbecomeslessnegative7Example6-3Forap-channeltransistorwithagateoxidethicknessof10nm,calculatetheboroniondoseFB(B+ions/cm2)requiredtoreduceVTfrom-1.1Vto-0.5V.AssumethattheimplantedacceptorsformasheetofnegativechargejustbelowtheSisurface.If,insteadofashallowBimplant,itwasamuchbroaderdistribution,howwouldtheVTcalculationchange?Assumingaboronionbeamcurrentof10-5A,andsupposingthattheareascannedbytheionbeamis650cm2,howlongdoesthisimplanttake?9Somequestions1.MOSFET器件的平带电压是如何产生的?2.非理想情况下,MOSFET的阈值电压由哪几项组成?它们与什么参数有关?3.采用什么方法和手段可以控制阈值电压?4.MOSFET中描述其特性的一个参数为跨导gm,它描述了器件的什么特性?10KeyWordsStandby 待机reciprocal 倒数scalingdown 等比例缩小powerdissipation 功耗packingdensity 集成密度operationspeed 工作速度channelhotelectroneffect 沟道热电子效应substratehotelectroneffect 衬底热电子效应MilleroverlapCapacitance 米勒覆盖电容116.5.6SubstratebiaseffectsIntheabove,thesourceisassumedtobeconnectedtothesubstrate.136.5.6SubstratebiaseffectsNow,weapplyareversevoltagebetweenthesourceandsubstrate.HowaboutVT?146.5.6SubstratebiaseffectsSource=0VBF<0.6V156.5.6SubstratebiaseffectsP309
Withareversebiasbetweenthesubstrateandthesource,thedepletionregioniswidenedandthethresholdgatevoltagerequiredtoachieveinversionmustbeincreasedtoaccommodatethelargerQd.17QuestionHowaboutapplyingaforwardbiasbetweenthesourceandthesubstrate?18Conclusions:MOSFET正常工作时,必须保证漏p-n结和源p-n结零偏或反偏。有衬底偏置电压时,阈值电压绝对值增加。??196.5.7Sub-thresholdcharacteristicsVGfromVTtolesspositive,VFB
stronginversion
weekinversiondepletionflatband(electrondensityonthesurfaceequalstothedensityinbulk216.5.7Sub-thresholdcharacteristicsVGVT,weakinversionoccursThiscurrentisduetoweakinversioninthechannel.Itleadstoanelectron
diffusioncurrentfromsourcetodrain.226.5.7Sub-thresholdcharacteristicslnIDVG
ID
的求解参见<<微电子技术基础>>曹培栋编著电子工业出版社249-252页236.5.7Sub-thresholdcharacteristicsS,ameasureoftheefficacyofthegatepotentialinmodulatingID.ThesmallerthevalueofS,thebetterthetransistorisasaswitch.Sisimprovedbyreducingthegateoxidethickness.Sishigherforheavychanneldopingorifthesilicon-oxideinterfacehasmanyfastinterfacestates.256.5.7Sub-thresholdcharacteristicsForverysmallgatevoltage,sub-thresholdcurrentisreducedtotheleakagecurrentofthesource/drainjunctions.Thisdeterminestheoff-stateleakagecurrent,andthereforethestandbypowerdissipationinmanycomplementaryMOScircuits.VTistypicallydesignedtobe0.7V.266.5.8EquivalentcircuitfortheMOSFET276.5.8EquivalentcircuitfortheMOSFET296.5.8EquivalentcircuitfortheMOSFETMillercapacitancecanbereducedbyusingself-alignedgate.Becauseofthespreadofthesource/drainjunctionsunderthegate,thechannellengthisreducedbyΔL,theeffectiv
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