金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入

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1、微电子器件基础第五章金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入引言MOSFET的非理想效应改变理想特性。本章将讨论的一些非理想效应包括亚阈值电导，沟道长度调制，沟道迁移率的变化以及载流子速度饱和。5.1.1亚阈值电导在理想电流－电压关系中，当栅源电压小于或等于阈值电压时漏电流为零。而在实验中，当VGS≤VT时，ID并不为零。下图是已经推导出的理想特性与实验结果之间的对比示意图。VGS≤VT时的漏电流称为亚阈值电流。5.1.1亚阈值电导下图分别为当施加一个较小的漏电压时，累积、弱反型以及开启模式下沿沟道长度方向上表面势的示意图。p型体区假设为零电势点。图b和c为累积和弱反型

2、的情形。在n＋源区和沟道区之间存在一个势垒，为了能够产生沟道电流，电子必须克服这个势垒。通过与pn结中的势垒相比较，可以得出，沟道电流是VGS的指数函数。在图d中所示的反型模式中，势垒非常小以至于使函数不再是指数函数，这是因为此时的pn结更像欧姆接触。5.1.2沟道长度调制当MOSFET偏置在饱和区时，漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，从而减小了有效沟道长度。因为耗尽区宽度与偏置有关，所以有效沟道长度也与偏置有关，且受漏－源电压调制。下图中显示出的是n沟MOSFET的这种沟道长度调制效应。5.1.3迁移率变化在理想I－V关系的推导中，我们假设了迁移率是常数。然而，这个假设

3、必须由于两个原因而更改。第一个要考虑的因素是迁移率随着栅压的改变。第二个原因是随着载流子接近饱和速度这个极限有效载流子迁移率将减小。如图（a）中的n沟道器件所示，反型层电荷是由于垂直电场而产生的。正栅压在反型层电子上产生一股力量将之推向半导体表面。随着电子穿过沟道移向漏端，它们将被表面吸引，但是随后将由于本地库仑力而被排斥。如图(b)所示，这个效应称为表面散射。表面散射效应降低了迁移率。如果在氧化层－半导体界面附近存在正的固定氧化层电荷，那么由于附加库仑的相互作用，迁移率将进一步降低。5.1.3迁移率变化5.1.4速度饱和在长沟MOSFET的分析中，我们假设迁移率是常数

4、，这意味着随着电场的增大漂移速度将无限地增加。在这种理想情况下，载流子速度会一直增加，直到达到理想的电流。然而，我们可以看到在增大电场时载流子速度会出现饱和。速度饱和在短沟道器件中尤其重要，因为相应的水平电场通常是很大的。下图所示为漏电流与漏源电压的函数关系在迁移率为常数时和在迁移率依赖于电场时的对比情况。从依赖于电场的迁移率曲线中可以看到，ID(sat)的值变小了，而且它近似地线形依赖于VGS。5.1.5弹道输运弹道输运是指载流子以比平均漂移速度或饱和速度更快的速度行进，这个效应会产生一些高速器件。弹道输运会发生在亚微米（L<1μm）器件中。随着MOSFET技术的进一

5、步发展，沟道长度将接近0.1μm，弹道输运现象将会变得更加重要。5.2按比例缩小理论MOSFET的频率响应会随着沟道长度的减小而增大。在过去的二十年里，CMOS技术的发展使得沟道长度越来越小。0.25μm到0.13μm的沟道长度是当今的标准。一个必须考虑的问题是随着沟道长度的缩小，器件的其它参数将如何改变。5.2.1恒定电场按比例缩小恒定电场按比例缩小是指器件尺寸和电压等比例的缩小，而电场（水平和垂直）保持不变。为了确保按比例缩小后器件的可靠性，器件中的电场不能增大。下表总结了器件的按比例缩小原理及其对电路参数的影响。5.2.2阈值电压――第一近似在恒定电场按比例缩小中

6、，器件的电压按照比例因子k减小。那么阈值电压看起来也应该按照同样的比例因子减小。对于均匀掺杂的衬底，阈值电压可以写为：前两项分别为器件材料参数的函数，不按比例缩小，只是很小程度地依赖于掺杂浓度。最后一项近似正比于，所以阈值电压不直接按照比例因子k变化。5.3阈电压的修正当器件尺寸缩小时，一些附加效应会对阈值电压产生影响。沟道长度的减小会增大MOSFET的跨导以及频率响应，沟道宽度的减小会增大集成电路的集成度。沟道长度和沟道宽度同时减小或其一减小都将影响阈值电压。5.3.1短沟道效应对理想MOSFET，我们利用电荷中和的概念推导出阈值电压，电荷中和是指金属氧化物反型层和半

7、导体空间电荷区中的电荷总和为零。我们还将假设栅面积与半导体有效面积相同。使用这个假设，我们仅考虑等价表面电荷密度，忽略由于源漏空间电荷进入有效沟道区而造成的任何影响阈值电压的因素。5.3.1短沟道效应随着漏极电压的增大，n沟MOSFET的阈值电压减小。阈值电压与沟道长度的关系图如下图，此图分别绘出了两个漏源电压和两个体源电压时的曲线。5.3.2窄沟道效应如图所示为处于反型的n沟MOSFET沿沟道宽度方向上的剖面图。电流垂直于沟道宽度通过反型层电荷。从图中可以看到，在沟道宽度的两侧存在一个附加的空间电荷区。这些附加的电荷受栅压控制，但是并没