MOSFET概念深入的资料

MOSFET概念深入的资料第1页/共51页第11章MOSFET概念的深入11．1非理想效应11．2MOSFET按比例缩小理论11．3阈值电压的修正11．4附加电学特性11．5辐射和热电子效应*2第2页/共51页11.1非理想效应与理想推导和实验结果偏离的五种效应：（1）亚阈值电导（2）沟道长度调制（3）沟道迁移率的变化（4）速度饱和（5）弹道输运第3页/共51页11.1非理想效应

亚阈值电流:定义亚阈值电流：VGS≤VT时的电流称为亚阈值电流。4理想伏安特性，当栅源电压时，漏电流ID为0；实际实验中，当时，ID不为0；第4页/共51页11.1非理想效应

亚阈值电流:比较施加小的漏电压时，n沟道MOSFET沟道表面势示意图堆积状态：势垒很高→电子无法跃过→无法形成表面电流；弱反型状态：势垒较低→电子有一定的几率越过势垒→形成亚阈值电流；强反型状态：势垒极低→大量电子越过势垒→形成沟道电流。5第5页/共51页11.1非理想效应

亚阈值电流:电压特性IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。6第6页/共51页11.1非理想效应

沟道长度调制效应:机理7当MOSFET偏置在饱和区时，漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，从而减小了有效沟道长度。第7页/共51页12.1非理想效应

沟道长度调制效应:模型1视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展8第8页/共51页12.1非理想效应沟道长度调制效应:模型29第9页/共51页12.1非理想效应

沟道长度调制效应:影响因素ID的实测值高于理论值在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加10第10页/共51页11.1非理想效应迁移率变化:纵向电场的影响(1)

表面散射11第11页/共51页11.1非理想效应迁移率变化:纵向电场的影响(2)体迁移率(典型值600cm2/Vs,NMOS）表面迁移率典型值0.03随VGS-VTn↑而↑变缓

有效迁移率：有效迁移率经验表达式：12第12页/共51页12.1非理想效应迁移率变化:漂移速度与电场的关系峰值电场强度峰值漂移速度饱和漂移速度13第13页/共51页11.1非理想效应

迁移率变化:Si的情形（104V/cm)低场：迁移率不随E而变高场：迁移率随E增加而下降强场：迁移率与E成反比14第14页/共51页11.1非理想效应

迁移率变化:GaAs、InP的情形（104V/cm)与Si相比，GaAs、InP的特点：存在漂移速度峰值迁移率大存在负微分迁移率区饱和漂移速度小15第15页/共51页11.1非理想效应12.1.4迁移率变化:速度饱和效应漏源电流下降

提前饱和饱和漏源电流与栅压成线性关系饱和区跨导与偏压及沟道长度无关截止频率与栅压无关16第16页/共51页11.1非理想效应

弹道输运非弹道输运MOSFET沟道长度L>0.1μm，大于散射平均自由程；载流子从源到漏运动需经过多次散射；载流子运动速度用平均漂移速度表征；弹道输运MOSFET沟道长度L<0.1μm，小于散射平均自由程；载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运；高速器件、纳米器件；17在MOSFET中，当沟道长度小于载流子的碰撞距离时，载流子中的一大部分可以不经过散射就能从源端到达漏端，这种载流子运动称为弹道输运。第17页/共51页11.2按比例缩小为什么要缩小MOSFET尺寸?提高集成度：同样功能所需芯片面积更小；提升功能：同样面积可实现更多功能；降低成本：单管成本降低；改善性能：速度加快，单位功耗降低；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50％；18第18页/共51页完全按比例缩小(FullScaling)尺寸与电压按同样比例缩小；电场强度保持不变；最为理想，但难以实现；11.2按比例缩小缩小方式恒压按比例缩小(FixedVoltageScaling)尺寸按比例缩小，电压保持不变；电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重；一般化按比例缩小(GeneralScaling)尺寸和电场按不同的比例因子缩小；迄今为止的实际做法；19第19页/共51页11.2按比例缩小完全按比例缩小:规则20第20页/共51页11.2按比例缩小完全按比例缩小:结果21第21页/共51页11.2按比例缩小完全按比例缩小:小结22第22页/共51页11.3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23第23页/共51页11.3阈值电压修正VT随L的变化:表面空间电荷短沟道效应24第24页/共51页11.3阈值电压修正VT随L的变化:ΔL的计算源-体结空间电荷区宽度表面空间电荷区宽度漏-体结空间电荷区宽度源、漏pn结结深25第25页/共51页若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少11.3阈值电压修正VT随L的变化:ΔVT的计算26第26页/共51页11.3阈值电压修正

VT随L的变化:关系曲线VDS>0VBS>027第27页/共51页11.3阈值电压修正VT随W的变化:表面电荷窄沟道效应28第28页/共51页若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加11.3阈值电压修正VT随W的变化:ΔVT的计算29第29页/共51页11.3阈值电压修正VT随W的变化:关系曲线30第30页/共51页11.3阈值电压修正离子注入调整VT:原理p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→VT↑受主注入剂量（单位面积注入的离子数）注入前的阈值电压p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）注入前的阈值电压31第31页/共51页11.3阈值电压修正离子注入调整VT:注入杂质分布1、Delta函数型分布

2、阶跃函数型分布

3、高斯函数型分布：更接近实际情况，分析较复杂。平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度反型时，xdT<xI,VT由Ns决定；反型时，xdT>xI,VT由DI决定；32第32页/共51页11.4击穿特性

MOSFET主要击穿机构。漏源击穿BVDS：漏pn结击穿，与VDS、VGS均有关栅源击穿BVGS：栅氧化层击穿，只与VGS有关33第33页/共51页11.4击穿特性栅-源介质击穿击穿现象VGS↑＝BVGS→氧化层电场强度Eox>临界电场强度EB＝(0.5~1)x107V/cm时，氧化层发生介电击穿当氧化层厚度50nm时，BVGS=30V，若EB＝6x106V/cm，则要求工作电压VGS<10V（安全余量为3）击穿过程针孔→凹坑→空洞→崩塌电流I↑→温度T↑→电流I↑，形成热电正反馈击穿场强的来源栅压VGS：Eox≈VGS/tox栅感应电荷QI：Eox≈QI/toxCox34第34页/共51页11.4击穿特性漏pn结击穿35漏极是一个相当浅的扩散区并发生弯曲，耗尽区的电场在弯曲处有集中的趋向。第35页/共51页11.4击穿特性沟道雪崩倍增效应发自S端的载流子（形成电流IS）受沟道电场的加速在D端附近发生雪崩倍增，产生的电子被漏极收集（加入ID），产生的空穴注入衬底（产生Isub）雪崩倍增形成条件：短沟道：L越短，沟道电场越强

n沟道：空穴的碰撞电离率小于电子，产生雪崩倍增的临界电场强度大于电子36第36页/共51页11.4击穿特性寄生晶体管效应37第37页/共51页11.4击穿特性

源漏穿通效应空间电荷区交接，势垒消失了，漏电流增大38第38页/共51页短沟道器件穿通特性曲线11.4击穿特性

源漏穿通效应39第39页/共51页11.4击穿特性轻掺杂漏(LDD)晶体管传统结构LDD结构漏区掺杂浓度较高且分布梯度较陡漏区掺杂浓度较低且分布梯度较缓降低了电场峰值及分布梯度40第40页/共51页DMOS(双扩散MOSFET)埋沟MOSFETSOI结构(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。11.4击穿特性41第41页/共51页11.5可靠性效应

MOSFET的辐射效应辐射产生氧化层电荷辐射产生界面态x射线、γ射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴辐射产生的电子在SiO2中很快移出栅极（迁移率～20cm2/V•s）辐射产生的空穴通过SiO2的随机跃迁缓慢地向Si-SiO2界面移动（迁移率10-4～10-11cm2/V•s）到达Si-SiO2界面的空穴一部分注入Si中，另一部分被界面附近的空穴陷阱所俘获，呈现正的空间电荷，使VT向负方向移动离化辐射打开Si-SiO2界面的饱和键，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的正氧化层电荷对VT的影响42第42页/共51页11.5可靠性效应辐射产生氧化层电荷:特性1正栅压下，辐射引入的空穴向硅一侧移动，且栅压VG↑→中途未被复合而最终到达Si-SiO2界面附近且被陷阱俘获的空穴数↑→引入的附加正电荷量↑→平带电压漂移量|ΔVfb|↑当Si-SiO2界面附近的空穴陷阱全被占据时，平带电压漂移量趋于饱和负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧移动→引入附加正电荷的作用较弱，且基本不随VG的变化而变化43第43页/共51页11.5可靠性效应辐射产生氧化层电荷:特性2离化辐射剂量[rad(Si)]p沟道MOSFET：导通电压为负栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果弱n沟道MOSFET：导通电压为正栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果强辐射剂量很高时，辐射引入的界面态产生，阈值电压变化反转。44第44页/共51页11.5可靠性效应

辐射产生界面态:特性1亚阈值电流（A）在亚阈区，ID-VGS曲线的斜率是界面态密度的函数辐射总剂量越大，则引入的界面态密度越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45第45页/共51页11.5可靠性效应辐射产生界面态:特性2界面态的生成还会受氧化层电场的影响。离化辐照后，界面态密度逐渐上升，并在100～1000s后才能达到其稳定值46第46页/共51页11.5可靠性效应

热电子效应在漏区附近的沟道中因雪崩倍增产生的高能电子，有可能受正栅压所产生的纵向电场作用，越过Si-SiO2界面势垒，进入SiO2层中，此电子的能量比热平衡是要高很多，因此称为热电子。产生栅电流（pA~fA量级）。产生负的充电效应，引