半导体器件物理2008-杜刚 第四章5

半导体器件物理 MOSFET 三 MOSFET的小尺寸效应 半导体器件物理 推导萨方程的基本假定 推导萨方程的前提 十个基本假定 1 衬底均匀掺杂 2 长 宽沟器件 可以不考虑边缘效应 3 反型层内载流子迁移率等于常数不考虑强场迁移率调制效 应 实际上 由于各点电场不一样 迁移率并不等于常 数 4 SiO2层电荷面密度QOX 等于常数 5 忽略源 漏区体电阻及电极接触电阻上的电压降 6 忽略源 漏PN结及场感应结的反偏漏电流 7 强反型近似成立 即三个远大于 三个不变 8 沟道导通时漂移电流远大于扩散电流 9 缓变沟道近似 GCA 成立 半导体器件物理 沟道长度调制效应 MOSFET工作于饱和区时 随着VDS的增加 将导 致 漏端空间电荷区宽度展宽 夹断点向源端移 动 半导体器件物理 沟道长度调制效应 将未夹断区看作一个有效沟道长度为 工作在 临界饱和态的MOSFET 未夹断区上的压降是VDsat VGS VT 那么饱和 区漏极电流 由于漏极电流 1 L 所以饱和区漏极电流随VDS 的增加而增加 这种现象称为 沟道长度调制效应 Channel Length Modulation CLM 半导体器件物理 考虑沟道长度调制效应 漏极电流不饱和 输出电阻为有限值 半导体器件物理 沟道长度调制效应 由于夹断区的电场分布是二维的 精确计算沟道长 度调制效应需要进行二维求解 一级近似模型可以用简单的经验表达式来描述沟道 长度调制效应 电路模拟软件SPICE中用经验系数 来描述沟道长度调制效应 沟道长度调制系数 反映了VDS对IDS的影响程度 的典型值在0 05 0 001V 1之间 半导体器件物理 边缘效应 短沟效应短沟效应 窄沟效应窄沟效应 半导体器件物理 短沟效应短沟效应 电荷共享电荷共享 DIBL效应效应 源漏穿通源漏穿通 半导体器件物理 短沟效应短沟效应 1 电荷共享电荷共享 随着沟道长度的缩短 源漏耗尽区的影响加大 当 沟道长度与源漏耗尽区宽度相比拟时 栅极上正电荷发出的场强线将终止于反型层内的 电子或者表面耗尽区的电离受主 源区或漏区的电力施主发出的场强线终止于源漏 耗尽区的电离受主 交界区 可以认为电流受主电荷一部分属于表面 耗尽区 一部分属于源漏耗尽区 这种效应称为电荷共享 或电荷分享 半导体器件物理 短沟效应短沟效应 1 电荷共享电荷共享 电荷共享示意图 半导体器件物理 短沟效应短沟效应 1 电荷共享电荷共享 电荷共享导致阈 值电压下降 电荷共享导致阈 值电压下降 阈值电压下降的大小为 半导体器件物理 短沟效应短沟效应 1 电荷共享电荷共享 L小于2 m时 才 会出现明显的短沟 道效应 抑制短沟道效应的 方法 减小源漏结深xj 减小栅氧化层厚度 降低衬底掺杂浓度 减小衬偏电压 半导体器件物理 DIBL效应 DIBL效应的定性描述 漏电压VDS通过耗尽区影响沟道区表面的电势分布 下图是VDS 0和VDS 0 时n沟MOSFET沟道表面的能带和电 势分布的示意图 能带图 半导体器件物理 DIBL效应 电势分布 半导体器件物理 DIBL效应效应 短沟道MOSFET 由于源漏耗尽区的互 相影响 将减小栅极对漏极电流的控制 能力 分析这种影响可以通过二维器件模 拟程序计算出沟道表面电势分布 半导体器件物理 DIBL效应效应 特点 沟道缩短 电 子势垒下降 VDS增加 电子势垒下降 半导体器件物理 DIBL效应效应 有两种作用导致了势垒的下降 沟道缩短 漏 源耗尽区的相互影响 VDS增加 漏区发出的场强线的一部分穿透到源区 DIBL效应对MOSFET特性的影响 VDS增加 有效阈值电压下降 VDS增加导致势垒降低 表面更加耗尽 使沟道更 加吸引电子 沟道导电能力增强 等效于有效阈值 电压的下降 半导体器件物理 DIBL效应效应 亚阈值特性 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散 长沟器件 长沟器件 VDS 3kT q时 时 IDsub不随不随VDS改变改变 短沟器件 短沟器件 VDS增加 势垒下降 源注入到漏的载流 子增加 亚阈值电流 增加 势垒下降 源注入到漏的载流 子增加 亚阈值电流IDsub增加增加 2 1e GSonDS BB qq VVV k Tk T DsubnOX B Zq ICe Lk T 半导体器件物理 DIBL效应效应 DIBL效应对漏极电流的影响 半导体器件物理 DIBL效应效应 附 长沟道器件 L 2 3 m 和短 沟道器件 L 0 23 m 的 等势线分布 二者除沟道长度 外 其它参数均相 同 由于侧向扩散 二 者沟道长度都约比 栅长度短0 27 m 半导体器件物理 源漏穿通效应 考虑衬底掺杂浓度比较低的短沟MOSFET 造成漏 极电流不饱和的机构除了沟道长度调制效应外 还 有源漏穿通效应 左图 低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏 衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧 有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 起始于源区的场强线 就会有一部分终止于沟道起始于源区的场强线 就会有一部分终止于沟道 半导体器件物理 源漏穿通效应 考虑 栅源电压VGS不变 增大漏源VDS电压 漏 衬pn结耗尽区扩展 用于屏蔽增加的电场 对于终止于沟道的场强线来说 由于耗尽区已经没 有扩展余地了 那么只能通过增加沟道电子来屏蔽 增加了的电场 类似平板电容器 对饱和区漏极电流的影响 VDS增加 沟道电子增加 沟道电阻下降 漏极电流ID增加 半导体器件物理 窄沟道效应 实际测量发现 沟道宽度减小到一定数值以 下时 有效阈值电压会随沟道宽度的减小而增 加 窄沟道效应的产生机制 表面耗尽区的侧向扩展 半导体器件物理 窄沟道效应 从栅极引出的Al引线将经过场区 由于场氧化层厚度远大于 上氧化层厚度 栅电极引线下面的场区一般处于耗尽或弱反 型状态 侧向扩展区 如果考虑场区中的耗尽区 栅电极上发出的场强线就有一部 分终止于侧向扩展区 导致终止于反型层的场强线数目减 少 从而使有效阈值电压增大 半导体器件物理 窄沟道效应 定量计算 由于侧向扩展的不规则 定量计算比较复杂 在SPICE程 序中仅认为