《栅和体电流模型》PPT课件

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1、集成电路器件模型与模拟池雅庆国防科技大学计算机学院微电子与微处理器研究所2014年4月课程安排一、概述二、MOS电容三、长沟MOSFET的理论与直流特性四、实际MOS晶体管的直流模型五、体电流模型和栅电流模型六、MOSFET中的噪声七、先进MOSFET模型八、MOSFET模型参数提取2体和栅电流模型池雅庆国防科技大学计算机学院微电子与微处理器研究所2014年4月IbIGSGDn+n+p-Si参考文献《用于VLSI模拟的小尺寸MOS器件模型——理论与实践》第八章S.Tam,P.K.Ko,C.Hu.Lu

2、cky-electronmodelofchannelhotelectroninjectioninMOSFETs.IEEETrans.ElectronDevices,1984,31,1116-11254提纲1235热载流子效应635nmGateLength35nmprocess器件尺寸等比例缩小栅氧化层厚度持续减小氧化层中垂直电场迅速增加栅氧电场超过1MV/cm沟道电场迅速增加沟道电场超过0.1MV/cm强电场使载流子速度升高高能载流子产生的可靠性问题即热载流子效应7体电流和漏电流来源热载流子效应现象

3、漏端高电场→热电子热电子碰撞电离→形成体电流Ib热电子注入栅SiO2层→形成IG引起界面陷阱器件性能退化与IG有关.IbIGSGDn+n+p-SiSi/SiO2界面势垒Eb:3.15eV(电子);3.8eV(空穴).8体电流和漏电流来源热载流子效应影响Ib流过衬底而形成“源-衬底-漏”(n-p-n)的寄生晶体管→使短沟器件易发生漏源击穿和I-V曲线回滞；在CMOS电路中将导致闩锁效应热电子注入栅极将严重影响MOS的可靠性~热电子退化IbIGSGDn+n+p-SiSi/SiO2界面势垒Eb:3.15e

4、V(电子);3.8eV(空穴).9体电流（衬底电流）模型体电流产生——碰撞电离对n沟MOS，热电子从源到漏漂移的过程中发生碰撞电离而产生空穴，这些空穴被衬底收集便形成了体电流Ib可将Ib表示为（1）其中Id是漏极电流，M是碰撞电离雪崩倍增因子：（2）αn是电子的碰撞电离系数，强烈依赖于沟道电场E10体电流模型（2）碰撞电离模型由于Ib<

5、模型为（4）11体电流模型（3）碰撞电离模型代入（3）得（5）αnAi（cm-1）Bi（V/cm)表面2.45×1061.92×106体区0.703×1061.23×10612体电流模型（4）碰撞电离模型碰撞电离可以发生在表面也可以发生在体内，且在低电场下也有体电流，该过程同样重要。所以一般把Ai和Bi作为体电流模型中的可调参数。αn与电场呈指数关系，因此最大电场处的碰撞电离起主导作用。MOS中最大电场位于漏端，则可认为碰撞电离积分（3）主要由漏端的最大电场Em决定。13体电流模型（5）碰撞电离模型

6、为求解Ib，须知道电场分布。根据第四章沟道电场模型（或见《用于VLSI模拟的小尺寸MOS器件模型理论与实践》6.7.3节）在速度饱和区域中的沟道电场分布（回忆直流模型）为（6）其中（7），tox为栅氧厚度，Xi为结深EC=4×104V/cm则速度饱和区域中最大电场（8）14体电流模型（6）碰撞电离模型变换积分变量dy为(dy/dE)dE，则（9）（10）（11）A.Erdelyi.AsymptoticExpansions.DoverPublicationsInc,NewYork,195615体电流模

7、型（7）碰撞电离模型代入，则（12）实际应用中，可拟合成的形式，由E<

8、减小。峰值位于Vgs≈Vds/2（近似是Vgs≈Vth）左右17体电流模型（9）0512Vgs（V）Ib（uA）Vdsat=Vgs-Vth实际体电流模型上述模型中，Em表达式过于简化。由于Ib与Em呈指数关系，Em的误差会带来Ib很大的误差。对于电路模拟，通常加入工艺拟合参数来进行修正Em：l：其中，Vth0为Vbs=0时的阈值电压18体电流模型（10）PMOS的体电流PMOS的体电流是由于沟道热空穴碰撞产生的电子电流。由于空穴的碰撞电离率比电子小2-3个数量级，所以