微电子器件(5-8).ppt

5 8短沟道效应 当MOSFET的沟道长度L 时 分立器件 集成电路 但是随着L的缩短 将有一系列在普通MOSFET中不明显的现象在短沟道MOSFET中变得严重起来 这一系列的现象统称为 短沟道效应 5 8 1小尺寸效应 1 阈电压的短沟道效应 实验发现 当MOSFET的沟道长度L缩短到可与源 漏区的结深xj相比拟时 阈电压VT将随着L的缩短而减小 这就是阈电压的短沟道效应 式中 代表沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度 考虑到漏源区的影响后 QA应改为平均电荷面密度QAG 原因 漏源区对QA的影响 已知 减小阈电压短沟道效应的措施 2 阈电压的窄沟道效应 实验发现 当MOSFET的沟道宽度Z很小时 阈电压VT将随着Z的减小而增大 这个现象称为阈电压的窄沟道效应 当VGS VT且继续增大时 垂直方向的电场Ex增大 使表面散射进一步增大 将随VGS的增大而下降 式中 于是 5 8 2迁移率调制效应 1 VGS对 的影响 当VGS较小时 式中 N沟道MOSFET中的典型值为 2 VDS对 的影响 VDS产生水平方向的电场Ey 当Ey很大时 载流子速度将趋于饱和 简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的v Ey关系 v vmax v Ey 0 EC 已知VDsat VGS VT为使沟道夹断的饱和电压 也就是使Qn L 0的饱和漏源电压 3 速度饱和对饱和漏源电压的影响 短沟道MOSFET中 因沟道长度L很小 很高 使漏极附近的沟道尚未被夹断之前 Ey就达到了临界电场EC 载流子速度v L 就达到了饱和值vmax 从而使ID饱和 现设V Dsat为使v L vmax的饱和漏源电压 经计算 可见 V Dsat总是小于VDsat 对于普通MOSFET 对于短沟道MOSFET 特点 饱和漏源电压正比于L 将随L的缩短而减小 特点 饱和漏源电压与L无关 设I Dsat为考虑速度饱和后的漏极饱和电流 经计算 4 速度饱和对饱和漏极电流的影响 特点 对于短沟道MOSFET 对于普通MOSFET 特点 普通MOSFET在饱和区的跨导为 特点 短沟道MOSFET在饱和区的跨导为 特点 与 VGS VT 及L均不再有关 这称为跨导的饱和 5 速度饱和对跨导的影响 6 速度饱和对最高工作频率的影响 由式 5 142b 普通MOSFET的饱和区最高工作频率为 特点 ft正比于 VGS VT 反比于L2 将短沟道MOSFET的饱和区跨导代入式 5 142b 得短沟道MOSFET的饱和区最高工作频率为 特点 f t与VGS无关 反比于L 5 8 3漏诱生势垒降低效应 当MOSFET的沟道很短时 漏PN结上的反偏会对源PN结发生影响 使漏 源之间的势垒高度降低 从而有电子从源PN结注入沟道区 使ID增大 L缩短后 ID VGS特性曲线中由指数关系过渡到平方关系的转折电压 即阈电压VT 减小 普通MOSFET的IDsub当VDS 3 5 kT q 后与VDS无关 短沟道MOSFET的IDsub则一直与VDS有关 亚阈区栅源电压摆幅的值随L的缩短而增大 这表明短沟道MOSFET的VGS对IDsub的控制能力变弱 使MOSFET难以截止 1 表面DIBL效应当VFB VGS VT时 能带在表面处往下弯 势垒的降低主要发生在表面 它使亚阈电流IDsub产生如下的特点 2 体内DIBL效应当VGS VFB时 能带在表面处往上弯 表面发生积累 势垒的降低主要发生在体内 造成体内穿通电流 而穿通电流基本上不受VGS控制 它也使MOSFET难以截止 衬底电流的特点 Isub随VGS的增大先增加 然后再减小 最后达到PN结反向饱和电流的大小 1 衬底电流Isub夹断区内因碰撞电离而产生电子空穴对 电子从漏极流出而成为ID的一部分 空穴则由衬底流出而形成衬底电流Isub 5 8 4强电场效应 原因 衬底电流可表为 另一方面 夹断区内的电场可表为 当VGS较大时 ID的增大不如 i的减小 使Isub减小 对于固定的VDS 当VGS增大时 ID增加 但Ey减小 使 i减小 即 当VGS较小时 ID的增大超过 i的减小 使Isub增加 当VGS增大到使碰撞电离消失时 Isub成为漏PN结的反向饱和电流 当VGS增大时 2 击穿特性 第一类 正常雪崩击穿特点 漏源击穿电压BVDS随栅源电压VGS的增大而增大 并且是硬击穿 这一类击穿主要发生在P沟道MOSFET 包括短沟道 与长沟道N沟道MOSFET中 第二类 横向双极击穿特点 BVDS随VGS的增大先减小再增大 其包络线为C形 并且是软击穿 主要发生在N沟道短沟道MOSFET中 衬底电流在衬底电阻上所产生的电压Vbs IsubRsub 对横向寄生双极晶体管的发射结为正偏压 使寄生晶体管处于放大区 当集电结耗尽区中的电场强度增大到满足双极晶体管的共发射极雪崩击穿条件 因为 所以 时 就会使IC 从而发生横向双极击穿 这使N沟道MOSFET更容易发生横向双极击穿 3 热电子效应 沟道中漏附近能量较大的电子称为热电子 热电子若具有克服Si SiO2间势垒 约3 1eV 的能量 就能进入栅氧化层 这些电子中的一部分从栅极流出构成栅极电流IG 其余部分则陷在SiO2的电子陷阱中 这些电子将随时间而积累 长时期后将对MOSFET的性能产生如下影响 a VT向正方向漂移 即VT随时间而逐渐增大 b 因迁移率下降而导致跨导gm的退化 c 因界面态密度增大而导致亚阈电流IDsub的增大 由于热电子效应与IG成比例 所以可用测量IG的大小来推算热电子效应的大小 IG与VDS VGS及L有关 IG随VDS的增加而增加 对于VGS 则在VGS VDS附近出现峰值 IG随L的缩短而增加 为了防止MOSFET性能的过分退化 必须对VDS设立一个限制 在VGS VDS 此时IG最大