半导体器件物理课件3.pdf

Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 第一章第一章 引言引言 第二章第二章 半导体器件物理基础半导体器件物理基础 第三章第三章 MOS FETMOS FET基本结构和原理基本结构和原理 第四章第四章 近代近代MOSMOS器件物理器件物理 第五章第五章 存储器件基础 不挥发存储器件基础 不挥发 挥发 挥发 第六章第六章 异质结的基本特性和应用异质结的基本特性和应用 第七章第七章 SOISOI结构和结构和SOI CMOSSOI CMOS器件器件 第八章第八章 纳米尺度器件及芯片加工技术纳米尺度器件及芯片加工技术 章节 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 MOSFETMOSFET的阈值电压的阈值电压 MOSFETMOSFET的直流特性的直流特性 MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性 MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 MOSFETMOSFET的功率特性的功率特性 第三章 MOS FET基本结构和原理 阈值电压的表达式 各种参数对与阈值电压的 影响 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET versus BJT MOSFET BJT 电场调节作用电场调节作用 E ID 少子注入少子注入 扩散扩散 收集收集 多子作用 多子器件 多子作用 多子器件 少子作用 少子器件 少子作用 少子器件 一种载流子 单极 一种载流子 单极 两种载流子 双极 两种载流子 双极 输入阻抗高输入阻抗高 MOS 绝缘体绝缘体 109 输入阻抗低输入阻抗低 pn 结正偏 共射结正偏 共射 k 电压控制器件电压控制器件 电流控制器件电流控制器件 噪声低 抗辐射能力强噪声低 抗辐射能力强 少子 少子 Nit 工艺要求高 工艺要求高 Qss 工艺要求低工艺要求低 频率范围小 功耗低频率范围小 功耗低 高频 大功率高频 大功率 集成度高集成度高 集成度低集成度低 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 场效应管发展历史 提出提出 FET 的概念的概念 J E Lilienfeld 1930 专利 专利 O Heil 1939 专利 专利 结型结型FET研制成功研制成功 Schockley 1953 表面场效应晶体管表面场效应晶体管 1962年前后 年前后 平面工艺发展 平面工艺发展 SiO2作为掩蔽和钝化作为掩蔽和钝化 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 场效应管的种类 表面场效应器件 常采取绝缘栅的形式 MIS MOS FET 结型FET TFT 薄膜场效应晶体管 肖特基势垒栅FET Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 TFT 薄膜场效应晶体管 栅在下面的结构栅在下面的结构 栅在上面结构栅在上面结构 gate S D channel gate S D channel glass glass 利用玻璃基板做衬底 在玻璃上长无定形硅 a Si Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 肖特基势垒栅场效应管 利用肖特基势垒来控制导电沟道利用肖特基势垒来控制导电沟道 特点是频率特性很好 在微波中广泛使用特点是频率特性很好 在微波中广泛使用 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 ID 当当 VG VT 时时 ID 0 B MOSFET 的基本工作原理 Substrate Gate Source Drain Gate length Lg Oxide thickness Tox Junction depth Xj G S D courtesy of Prof Kuroda Keio University Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET 的分类和符号的分类和符号 NMOS PMOS 增强型增强型 耗尽型耗尽型 增强型增强型 耗尽型耗尽型 衬底衬底 p N S D n p 载流子载流子 电子电子 空穴空穴 VDS IDS D S S D 载流子运动方向载流子运动方向 S D S D VT 符号符号 G D B S G D B S G D B S G D B S Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 线性区线性区 饱和区饱和区 击穿区击穿区 IDS VDS VGS为参量 为参量 NMOS 增强型 输出特性 Output characteristics 增强型 Vg 0V 时器件关断 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 NMOS 增强型 增强型 normally off NMOS 耗尽型 耗尽型 normally on PMOS 增强型 增强型 normally off PMOS 耗尽型 耗尽型 normally on 输出特性 增强型 Vg 0V 时器件关断 耗尽型 Vg 0V 时器件未完全关断 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 IDS VGS VDS为参量 为参量 NMOS 增强型 增强型 转移特性 Transfer characteristics Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 NMOS 增强型 增强型 NMOS 耗尽型 耗尽型 PMOS 增强型 增强型 PMOS 耗尽型 耗尽型 转移特性 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 逻辑电路中的不同种类MOSFET的应用 a circuit Realization of special IV characteristics n depl T and p depl T b MOSFET Bipolar Hybrid Darlington stage c ED Inverter n enhancment T for amplification n depl T for load d Transmission gates switching in analog apllications n enhance T and p enhance T parallel e CMOS Inverter basic element in digital logic n enhance T and p enhance T 各种增强和耗尽型 nMOS pMOS 组成各种逻辑电路 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFETs 在存储器中的应用 Dynamic Random Access Memory DRAM p Si poly Si SiO2 SiO2 Metall Electrode Electrically Erasable Programmable Read Only Memory EEPROM Flash Electrically Erasable Read Only Memory Flash EEROM with split gate p Si SiO2 SiO2 Floating Gate Floating Gate Control Gate Control Gate poly Si 2 MOSFETs access memory in one cell MOSFET还可以组成各种不同的存储器单元 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 MOSFETMOSFET的阈值电压的阈值电压 MOSFETMOSFET的直流特性的直流特性 MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性 MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 MOSFETMOSFET的功率特性的功率特性 第三章 MOS FET基本结构和原理 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 1 使使IDS达到一定值所需加的栅压 类似于达到一定值所需加的栅压 类似于pn结的正结的正 向阈值电压向阈值电压Vf 2 MOS管工作在线性区时 将转移特性曲线外推到管工作在线性区时 将转移特性曲线外推到 零时所对应的电压 零时所对应的电压 3 MOS管工作在饱和区时 将转移特性曲线外推到管工作在饱和区时 将转移特性曲线外推到 零时所对应的电压 零时所对应的电压 4 使半导体表面强反型 使半导体表面强反型 S 2 F 所需加的栅压 所需加的栅压 阈值电压的多种定义方法 阈值电压有多种定义方法 Vt VG ID Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 半导体的表面状态 VG 和MOS电容章节所讲一致 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 二二 阈值电压的表达式阈值电压的表达式 不考虑不考虑 ms Qss Qox 时时 ox A B ox B BT C dqN V C dQ VV maxmax 2 2 2 1 ln4 1 ln 2 i A sA oxi A n N kTqN Cn N q kT 考虑考虑 ms Qss Qox 时时 VFB 0 ox A BFB ox B BFBT C dqN VV C dQ VVV maxmax 2 2 ox t oxoxox ss msFB dxx t x CC Q V 0 1 其中其中 功函数差功函数差 mssmms qVWWq 接触电势差接触电势差 Vox Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 n 沟沟 MOS NMOS i A ox A ox ss msTn n N q kT C dqN C Q Vln 2 max i D ox D ox ss msTp n N q kT C dqN C Q Vln 2 max 三三 影响影响 VT 的因素的因素 1 功函数差功函数差 ms 的影响的影响 金属金属 Mg Al Ni Cu Au Ag n poly p poly Wm eV 3 35 4 1 4 55 4 7 5 0 5 1 4 05 5 15 1 金属功函数金属功函数 Wm p 沟沟 MOS PMOS Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 半导体功函数半导体功函数 Ws B g ss qV E W 2 i A g s n N kT E ln 2 i D g s n N kT E ln 2 p 型型 n 沟沟 MOS n 型型 p 沟沟 MOS n Si p Si ND cm 3 1014 1015 1016 NA cm 3 1014 1015 1016 Ws eV 4 32 4 26 4 20 4 82 4 88 4 94 F M F B C S C i E i E F E C E V qVB E gap Si E gap Iso metal p Si Vacuum level Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 早期的早期的Al栅工艺栅工艺 硅栅工艺硅栅工艺 自对准多晶硅栅工艺自对准多晶硅栅工艺 Self aligned P Si Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 4 60nm 180nm STI 和自对准多晶硅栅流程和自对准多晶硅栅流程 1 Pad oxide SiN cap 2 STI litho etch sidewall oxidation 3 STI leveling SiN strip Vt implant 4 Pad oxide removal Gate oxidation poly depo LDD halo implant 5 spacer S D implant 6 silicidation Contact metallization Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 An example of 32 48nm STI Si3N4 3D device SOG SOG is able to fill high aspect ratio trench Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 多晶硅栅多晶硅栅 MOSFET N MOSFET 无外加电压的能带图 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 多晶硅栅多晶硅栅 MOSFET P MOSFET NMOS采用n poly PMOS 采用p poly PMOS 采用采用n poly gate 时阈值电压上升近时阈值电压上升近1V Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 衬底杂质浓度衬底杂质浓度 NB 的影响的影响 i B B n N q kT Vln VB V NB 增加增加 2 个数量级 个数量级 VB 增加增加 0 12 V VTn NMOS D DVT V Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 界面固定电荷界面固定电荷 QSS 的影响的影响 n 沟沟 MOS NMOS i A ox A ox ss msTn n N q kT C dqN C Q Vln 2 max i D ox D ox ss msTp n N q kT C dqN C Q Vln 2 max p 沟沟 MOS PMOS ND cm 3 NMOS PMOS Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 离子注入调整离子注入调整 VT 增强型增强型 耗尽型耗尽型 maxmax 0 max max dQdQdxxNNqdQ BB d AA total B D Im d AB qNdxxqNdQ D max 0 max 其中其中 ox Im ox B T C qN C Q V D D i A ox A ox ss msTn n N q kT C dqN C Q Vln 2 max Rp 6 decades Transfer characteristics Output characteristics MOSFET fabricated Fudan Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 4 衬底偏置效应衬底偏置效应 衬偏效应 衬偏效应 Body effect 1 衬偏效应的来源衬偏效应的来源 T2 VD D T1 0 5 V VB S VD D T2 VB S VD D T2 VB S Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 VGS VT VBS 0 VGS VT VBS VBS 0 q VBS 衬底电压更负 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 MOSFET 的的 VT n n p Si EC EV EC EV EC EV EV EC 2qVB VGS VFB VBS 0 VGS VT VBS 0 EC EV EC EV VGS VFB VBS 0 EC EV EV EC q 2VB VBS VGS VT VBS VBS 0 q VBS VBS 0 VGS q VBS Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 衬偏效应下的转移特性衬偏效应下的转移特性 对NMOS来讲 施加的衬底电压 VBB 越负 阈值电压越高 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 MOSFETMOSFET的阈值电压的阈值电压 MOSFETMOSFET的直流特性的直流特性 MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性 MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 MOSFETMOSFET的功率特性的功率特性 第三章 MOS FET基本结构和原理 IDS表达式 沟道长度调制效应 亚阈值特性 二级效应 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET 非平衡时的能带图非平衡时的能带图 势垒下降 MOSFET的三维势垒 加漏电压加漏电压 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET 能带图能带图 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET 能带图能带图 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET 静电势图静电势图 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 IDS VDS 的关系的关系 假设 假设 1o 源区和漏区的电压降可以忽略不计 源区和漏区的电压降可以忽略不计 2o 在沟道区不存在产生在沟道区不存在产生 复合电流 复合电流 3o 沟道电流为漂移电流 沟道电流为漂移电流 4o 沟道内载流子的迁移率为常数沟道内载流子的迁移率为常数 n E C 5o 沟道与衬底间 沟道与衬底间 pn结 的反向饱和电流为零 结 的反向饱和电流为零 6o 缓变沟道近似缓变沟道近似 Gradual Channel Approximation y yxE x yxE y x n n p Si S G D Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET 坐标系坐标系 x y z 耗尽层耗尽层 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 Constant charge 模型 Gate Capacitor Source Drain Resistor DSx V LL v L E 2 Transit time current DSGSDSGS ox r DS GS ox r tr DS VV L w CVV L w d L V V d Lw t Q I 0 2 0 GS ox r GSgate V d Lw VCQ 0 DSGSDS VV L w CI 假设 Vgate VDS the charge Q below the gate is not dependent on VDS or Qgate is not dependent on channel position x 强反型 反型电荷 耗尽电荷 电荷数由栅电压决定 x 只适用于只适用于Vds非常小的情况非常小的情况 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 缓变沟道近似 GCA Gradual Channel Approximation 二维泊松方程二维泊松方程 s yx y yx x yx 2 2 2 2 x yx yxEx y yx yxEy s y x yx y yxE x yxE x 沟道中电荷只和Vg 与Vds有关 2 2 DS DSTGSoxD V VVV L w CI bulk ox bulkdopSi bulk ox S T C qN C Q V 2 22 2 0 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 可调电阻区可调电阻区 线性区线性区 强反型条件下 强反型条件下 VGS VT 在氧化层极板在氧化层极板 y 处感应的单位面积上总电处感应的单位面积上总电 荷荷 yQyQyQ Bn QB dmax 反型电子反型电子 负电荷负电荷 y 0 L V 0 0 V L VDS 2 yVVVVyV FBBGSox oxox CVyQ max dQyQyQ Bn ox B FBBGSox C dQ yVVVVC 2 max yVVVC TGSox c x dxyxnq 0 B dy ydV Ey FBsoxGS VyVyVV 2VB V y VDS 较小时较小时 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 dy ydV dxyxnqWdxdz dy ydV yxnq cc x n Wx n 000 即即 0 yVVVCdxyxnqQ TGSox x n c dy ydV yxqn dy ydV yxqnEyxqnyxJ nnynn Wx ny c dxdzyxJI 00 dy ydV yVVVCW dy ydV yQW TGSoxnnn 常数 DSy II ydVyVVVCWdyI TGSoxny DS V TGSoxn L y ydVyVVVCWdyI 00 2 2 1 DSDSTGSoxnDS VVVVCWLI Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 2 1 DSDSTGSnoxDS VVVV L W CI 2 2 1 DSDSTGS VVVV 跨导参数跨导参数 可调电阻区可调电阻区 线性区 线性区 VDS 当当 VDS VGS VT VDS sat 夹断点左移 有效沟道缩短夹断点左移 有效沟道缩短 夹断区内夹断区内 Ey Ex GCA不成立不成立 漏端漏端 Eox L 与源端与源端 Eox 0 方向相反方向相反 夹断点夹断点 Eox Leff 0 Qn 0 D D L L LLLLeff1 Leff D DL y 长沟道器件 长沟道器件 D DL L 1 长沟道长沟道 短沟道短沟道 DSsatDS II 短沟道器件 短沟道器件 D DL L retention time 静态功耗 亚阈值代表着器件在所给定电压范围内的开关性能 驱动电流 漏电流之比 在弱反型区MOS管如同三极管 主要是扩散电流 L nn DqA dx dn DqAI drainsource nnD 亚阈值电流与 VGS成指数关系 室温下MOSFET S 60 mV dec VD 3kt q 100mV 时与 VDS无关 DSD VII exp1 0kT q bulkFBGS FBGS ox VV VV C L w I 2exp 2 2 创 0 Gate swing S decmV C C Id dV S llongchanne ox D D GS 601 10ln log Gate swing S weak inversion strong inversion leakage current Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 如何使如何使 S变小变小 越小越好越小越好 1o T S 室温下室温下 Smin 60 mV dec 2o Cox S tox ox 3o Cd S NA d VBS d ox N ox d C C C C q kT S ss 110ln 4o CNss S Nss 5o L S 6o VGS S 衬偏效应对亚阈特性的影响衬偏效应对亚阈特性的影响 亚阈值越小 器件在所给定电压范围内的开关性能越好 驱动电流 漏电流之比越高 Supply voltage可以降低 功耗降低 Gate swing S weak inversion strong inversion leakage current Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 优化后的小亚阈值摆幅器件 FinFET 48nm FinFET DRAM X section of FinFET DRAM chip S 70mV dec FinFET transfer char FinFET structure Fin结构使Cox 大大提高 所以S 降低 同时 漏电流的通道减少 漏电流减小 有效沟道宽度增大 驱动电流增大 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 tox NA VBS 对亚阈摆幅的影响对亚阈摆幅的影响 a 短沟道效应对亚阈值特性的影响短沟道效应对亚阈值特性的影响 沟道变短 使Cox 相对CD减小 所以S 增大 多种结构可改进S LDD优化 gate spacer优化 STI divot corner device 更薄的电学栅介质厚度 EOT Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 四四 MOSFET 直流参数直流参数 1 输出特性和转移特性输出特性和转移特性 线线 性性 区区 饱和区饱和区 击击 穿穿 区区 截止区截止区 2 2 2 1 2 1 DSsatTGSDSsat VVVI Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 直流参数直流参数 1 VT 2 饱和漏源电流饱和漏源电流 IDSS 对耗尽型 对耗尽型 定义 定义 VGS 0 时时 22 2 22 1 0 2 1 T ox TTDSSDSsat V L WC VVII IDSS IDS S Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 截止漏电流截止漏电流 IDS0 对增强型 对增强型 n n p Si S G D 定义 定义 VGS 0 时时 IDS IDS0 两个背靠背两个背靠背 pn 结 反向饱和电流 结 反向饱和电流 4 导通电阻导通电阻 Ron 直流 直流 VDS 很小时 很小时 IDS VDS 线性关系线性关系 TGSDSTGS DS DS DS on VVVVV V I V R 1 实际导通电阻实际导通电阻 DSonon RRRR 漏区串联电阻漏区串联电阻 源区串联电阻源区串联电阻 5 直流输入阻抗直流输入阻抗 RGS 理想理想 RGS 实际实际 RGS 109 6 最大耗散功率最大耗散功率 Pcm DSDSc IVP 允许能正常工作的最大允许能正常工作的最大 Pc Pcm Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 低频小信号参数低频小信号参数 1 跨导跨导 gm DS V GS DS m V I g S 1 西门子西门子 IDS 2 2 1 DSDSTGS VVVV 2 2 1 TGS VV 线性区线性区 饱和区饱和区 gm DS V TGS VV 线性区线性区 饱和区饱和区 MOSFET 电压增益电压增益 Lm GS LDS GS R V Rg V RI V V G L D D D D gm 越大越好 越大越好 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 提高提高 gm 的途径 的途径 1o n tox ox Cox W L gm 2o VGS gms 2 输出电导输出电导 gD GS V DS DS D V I g S 1 西门子西门子 Do gr1 gD 非饱和区非饱和区 饱和区饱和区 0 理想 理想 0 实际 实际 TGS VV DSTGS VVV gm 饱和区 饱和区 VDS 很小 很小 VDS 稍大但仍稍大但仍 VDSsat 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 漏区电场静电反馈作用漏区电场静电反馈作用 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 等效电路等效电路 vGS iDS G S S D gmvGS ro gD 1 vDS DS V DS DS GS V GS DS DS dV V I dV V I dI GSDS DSDGSm dVgdVg VGS VT 线性线性 区区 0 饱和饱和 区区 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 五五 MOSFET 的二级效应的二级效应 1 非常数表面迁移率效应非常数表面迁移率效应 1 栅电场影响栅电场影响 Ex VGS Ex n 550 950 cm2 V s p 150 250 cm2 V s ceff effeff EE E 1 0 s bulk 2 n p 2 4 界面处的晶格散射 杂质散射 表面散射等因素使迁移率降低 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 有效迁移率有效迁移率 ceff effeff EE E 1 0 随电场增大 有效迁移率降低 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 栅电场对迁移率影响栅电场对迁移率影响 1o 线性区 线性区 VGS 较小时 斜率增加等间距较小时 斜率增加等间距 VGS 较大时 曲线密集较大时 曲线密集 IDS 2 2 1 DSDSTGS VVVV 2 2 1 TGS VV 线性区线性区 饱和区饱和区 L W C nox 2o 饱和区 饱和区 VGS 较大时 较大时 IDSsat 随随 VGS 增加不按平方规律增加不按平方规律 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 漏电场漏电场 Ey 影响 载流子速度饱和效应 影响 载流子速度饱和效应 v Ey Ey Esat saty y eff EE E 1 sat v Ey Esat v 不饱和区不饱和区 v 饱和区饱和区 电子饱和速度为107cm s Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 对对 gm 的影响的影响 gm DS V TGS VV 线性区线性区 饱和区饱和区 L W C nox 1o VGS 影响影响 gm s VGS VT 0 VGS Ex eff Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2o VDS 影响影响 v Ey Ey Esat L 时 时 gm sateffoxsatm EWCLEg 饱和饱和 区 区 TGSsat TGSsat DSsat VVLE VVLE V TGSsat TGS oxsatDSsat VVLE VV CWvI 2 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 体电荷变化效应体电荷变化效应 Bulk Charge Model EFm EFp EC EV EFn y x y yqVyEyE p F n F 0 0 V DS VLV GCA 假设 假设 Ey 只影响载流子沿沟道只影响载流子沿沟道 方向的输运 而不影响沟道中方向的输运 而不影响沟道中 载流子数量 表面势载流子数量 表面势 Vs 由由 VGS 唯一确定 而与唯一确定 而与 VDS 无关 无关 QB 常数常数 qNAdmax 常数 不随常数 不随 y 变化变化 但当但当 VDS 较大时 较大时 GCA 假设不成立 假设不成立 QB 是是 y 的函数的函数 强反型时 指源端 强反型时 指源端 QB QB y QB dmax y Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 非零漏电导非零漏电导 1 沟道长度调制效应 沟道长度调制效应 channel length modulation Leff D DL y D D L L LLLLeff1 D L L VV L W CVV L W CI TGSoxnTGS eff oxnDSsat 1 2 1 2 1 22 D L L I DSsat 1 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 GSGS GS GS V DS TGSoxn V DSV DSsat V DS DSsat Dsat V L L VV W C V L L I V I g 2 21 2 DS DSsat V DS TGSoxn V L L I V L L VV L W C GS D D 11 2 1 2 近似地近似地 DSsatDSDS VVV L L D D 沟道长度调制因子沟道长度调制因子 0 1 0 01 V 1 DSsatDsat Ig DSsatDsat o Ig r 11 斜率斜率 A DSsat DSsatDsat V I Ig Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 漏电场静电反馈效应漏电场静电反馈效应 VDS ED Qn IDS IDS 不饱和不饱和 ED Drain induced barrier lowering DIBL 相似机理相似机理 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 4 源漏串联电阻对源漏串联电阻对 gD 和和 gm 的影响的影响 对对 gD 的影响的影响 VGS G S RS RD D S D vGS iDS G S S D gmvGS ro gD 1 vDS RS DS Di DS V DS SD V DS DSVDS DS D RR g RR I V I VV I g GSGS GS 1 111 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 5 Gate induced drain leakage current GIDL Gate induced leakage current 器件关断时 栅电压和漏电流在漏 沟道结 处形成高电场 导致漏电流上升 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 亚阈值区亚阈值区 VGS VT 大大 VDS 强漏电场 强漏电场 VDS VGS VT VGS VFB n n VGS VDS 1 GIDL的条件的条件 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 2 机理机理 深耗尽状态深耗尽状态 类似于类似于 p n 结结 p n p 区价带中的电子隧穿至区价带中的电子隧穿至 n 区导带区导带 电子电子流向漏极流向漏极 n 空穴空穴 横向 流向衬底 横向 流向衬底 B极 极 隧穿方式 隧穿方式 Band to band tunneling Trap assisted tunneling Thermal emission tunneling Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 3 使使 GIDL 增大的因素增大的因素 1o Ge preamorphization bulk midgap traps 2o Hot carrier injection HCI interface traps 3o Fowler Nordheim tunneling 4 抑制抑制 GIDL 的方法的方法 降低电场降低电场 1o tox Eox Es 2o 近表面区近表面区 Nt 3o ND n 耗尽区厚度耗尽区厚度 tunneling 区域区域 4o LDD 结构结构 E漏 漏 优化后的DRAM access MOSFET漏电流小于10 15 A 10月月8日停一次课日停一次课 10月月15日再上课日再上课 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 六六 击穿特性击穿特性 线性区线性区 饱和区饱和区 击穿区击穿区 在VDS和VG过高时 MOSFET器件会击穿 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 03 MOSFET击穿的种类 源漏击穿源漏击穿 1 源漏击穿源漏击穿 2 栅击穿栅击穿 漏漏 衬底衬底pn结雪崩击穿结雪崩击穿 沟道雪崩击穿沟道雪崩击穿 漏源势垒穿通漏源势垒穿通 1 漏漏 衬底衬底 pn 结雪崩击穿结雪崩击穿 BVDS n n p Si VG S VD S A cs DS qN E BV 2 2 NA BVDS 工程2start Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and phys