晶体管原理-3000短器件发展方向

1、半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-1-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管第二节第二节 短沟道效应短沟道效应v短沟道效应短沟道效应:沟道长小到可以和漏结源结耗尽层宽相比拟时,阈电压下降跨导下降沟道夹不断Poon-yan模型电荷分享模型电荷分享模型vL很小时,终止于栅下空间电荷区的电力线将有一部分发自于源和漏区。*AjAGATQQQ沟道耗尽区总电荷受栅极控制的受源漏区控制的v阈电压的变化阈电压的变化1)短沟道效应短沟道效应长沟道时:FPoxFPAoxoxmsTCQCQV2)2(2/ 1max)

2、4(FPAsdAANqxqNQ半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-2-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-2. .短沟道效应短沟道效应v减轻阈电压沟道效应的措施减轻阈电压沟道效应的措施:结深栅氧化层厚衬底掺杂*2121ATATAGQLLQLLLQAjdjQxxLx12112/1max对阈电压有贡献的沟道耗尽区电离受主电荷面密度平均值:AAGAGQLLZLQQ21*1/2122/1max2/12max2maxjdjjddjxxxxxxxLFpoxAoxoxmsTCQfCQV2短则VS=0,VB

3、=0时:12112/1maxjdjxxLxf半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-3-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管2) 窄沟道效应窄沟道效应 MOSFET沟道宽度Z很小时,阈电压VT随Z的减小而增大。-2. .短沟道效应短沟道效应v实际栅电极总有一部分要覆盖在沟道宽度以外的场氧化层上,并在场氧化层下的衬底表面也会产生一些耗尽区电荷。v由VGS引起的扩展区2Z内的电离受主杂质折算到宽度为Z的沟道耗尽区中,使沟道耗尽区平均电离杂质电荷面密度变为:ZZQQAAG/21FpoxAoxoxmsTZ

4、ZCQCQV221窄则窄沟道MOSFET的阈电压为:半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-4-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管v漏诱生势垒降低效应漏诱生势垒降低效应-2. .短沟道效应短沟道效应1)表面表面DIBL效应效应 VFBVGSVT, 源漏区间势垒高度表面的低于体内的,电子从源区注入沟道及在沟道内的流动都发生在表面,形成亚阈电流IDsub。(1)随沟道长L缩短,亚阈电流增加; (2)亚阈电流一直随VDS增加而增加,VT减小;(3)VGS对IDsub控制能力变弱，使MOSFET难以截止

5、。2）体内体内DIBL效应效应 VGSVFB，VDS不太大，源漏区间势垒高度表面的高于体内,电子从源区注入沟道及在沟道内流动都发生在体内,形成穿通电流。v以n-MOSFET为例：长沟道的VDS全降在漏结上。v短沟道时，源于漏的电力线将有一部分贯穿沟道区终止于源区，使源漏区间的势垒高度降低，称为漏诱生势垒降低漏诱生势垒降低效应（效应（DIBL）。半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-5-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管v热载流子效应热载流子效应-2. .短沟道效应短沟道效应-在强电场作用下,电

6、子在两次碰撞之间会加速到比热运动速度高许多倍的速度,由于动能很大而称为热电子热电子,从而引起“热电子效应热电子效应”。v改进：改进：(1)两次离子注入; (2)外加衬底偏压。v问题问题：穿通电流受VGS控制弱；VDS很大时将导致穿通击穿。v热载流子：热载流子：能量比费米能级大几个 kT 以上的载流子(1)横向电场Ey足够大时, 沟道电子在纵向电场作用下注入到栅氧化层中;A(3)耗尽区内热激发产生电子-空穴对;C(2)漏区附近强电场Ey使高能电子碰撞电离产生电子-空穴对; B短沟道MOSFET中产生IG的原因半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectroni

7、cs Circuit & System-6-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管v栅氧化层中电子积累的影响栅氧化层中电子积累的影响:-2. .短沟道效应短沟道效应v 沟道热电子效应为主。(1)VT正漂; (2)跨导gm下降; (3)亚阈电流IDsub增大。(1)双扩散D-MOSFT; (2)采用偏置栅结构; (3)埋沟结构。v产生沟道热电子的原因是漏区附近极高的横向电场的存在。抑制热产生沟道热电子的原因是漏区附近极高的横向电场的存在。抑制热电子效应的措施电子效应的措施:v 沟道长度越短,热电子效应越严重。v IG的出现表征着热电子效应的存在,且IG的大小可用来衡量热电子效应的大小。半

8、导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-7-第三节第三节 微电子器件的发展方向微电子器件的发展方向MOSFET的发展方向的发展方向第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管vMOSFET的发展方向的发展方向:沟道长度L不断缩短*优点优点: 对于分立器件可提高跨导和最大工作频率，对IC可以提高速度、增大集成度和降低功耗。*缺点缺点: 阈电压下降；阈电压不稳及跨导退化。KTTOXOXv改进改进恒场按比例缩小恒场按比例缩小 当MOSFET沟道长度缩短时,器件的其他各种横向和纵向尺寸以及电压也按一定的比例缩小。KZZ KLL KVVGSGSKxxjjAAKNNKVVBSBSKVVDSDS半导体器件原理2009.06.12Institute of Microelectronics Circuit & System-8-栅氧化层与半导体界面处的栅氧化层与半导体界面处的纵向电场强度不变纵向电场强度不变;沟道沟道横向电场强度不变横向电场强度不变;耗尽区内电荷面密度不变耗尽区内电荷面密度不变;第四章第四章