MOSFET的短沟道效应.doc

《MOSFET的短沟道效应.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、MOSFET的短沟道效应3第8章MOSFET的短沟道效应MOSFET的沟道长度小于3um时发生的短沟道效应较为明显。短沟道效应是由以下五种因素引起的，这五种因素又是由于偏离了理想按比例缩小理论而产生的。它们是：（1）由于电源电压没能按比例缩小而引起的电场增大；（2）内建电势既不能按比例缩小又不能忽略；（3）源漏结深不能也不容易按比例减小；（4）衬底掺杂浓度的增加引起载流子迁移率的降低；（5）亚阈值斜率不能按比例缩小。（A）亚阈值特性我们的目的是通过MOSFET的亚阈值特性来推断阈值电压到底能缩小到最小极限值。对于长沟道器件而言，亚阈值电流由下式给出也可以写成如下的形式

2、23式中的为单位面积耗尽区电容。是热电压，，在大于几个热电压时有对上式两边取对数上式也可以写成从式（8.4）中可以看出，当时，即当栅－源电压等于亚阈值电压时有亚阈值电流：为了使时，器件可以关断，我们可以令（8.4）中的，则有如果规定关断时（当）的电流比在（当23）的电流小5个数量级，式(8.7)和式(8.8)的两边相除则有得到亚阈值电压的最小值为如果则亚阈值电压的最小值是。如果还想将阈值电压降低到400mV左右，那么就要减小的值，使。考虑到温度对阈值电压的影响，按比例缩小阈值电压将更加困难。阈值电压的温度系数。导致阈值电压在温度范围（0－85℃）内的变化是85mV。制

3、造工艺引起的最小变化也在50mV之间。工艺和温度引起的变化合计为135mV左右。因此，对增强型的MOS器件其阈值电压一般都控制在之间。（A）短沟道效应使阈值电压减小对理想MOSFET器件，我们是利用电荷镜像原理导出阈值电压的表达式。见下图。23式中忽略了沟道中的反型层电荷密度，为最大耗尽层单位面积电荷密度。这个电荷密度都由栅的有效面积控制。并忽略了由于源/漏空间电荷区进入有效沟道区造成的对阈值电压值产生影响的因素。图8.2a显示了长沟道的N沟MOSFET的剖面图。在平带的情况下，且源－漏电压为零，源端和漏端的空间电荷区进入了沟道区，但只占沟道长度的很小一部分。此时的栅

4、电压控制着沟道区反型时的所有反型电荷和空间电荷，如图8.2b所示。23随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电荷密度减小。随着漏端电压的增大，漏端的空间电荷区更严重地延伸到沟道区，从而栅电压控制的体电荷会变得更少。由于栅极控制的沟道电荷区中的电荷数量会对阈值电压造成影响，如式（8.12）所示。我们可以用图8.3所示的模型，定量的计算出短沟道效应对阈值电压造成的影响。假设源/漏结的扩散横向与纵向相等，都为。这种假设对扩散工艺形成的结来说是合理的，但对例子注入形成的结则不那么准确。我们首先考虑源端、漏端和衬底都接地的情况。在短沟道情况下，假定栅极梯形区域中的电荷有栅极控

5、制。在阈值反型点，降落在沟道区的空间电荷区上的势差为，源和漏结的内建电势差也约为，这表明这三个空间电荷区的宽度大体相等。如图8.3a。23假定梯形区内的单位面积平均电荷密度为，则有上式可以写成由图8.3b可以看出，有如下关系：由（8.15）式将（8.17）带入（8.18）带入（8.15）式与长沟道器件相比，短沟道器件阈值电压表达式应该写成23考虑短沟道效应后，MOSFET器件的阈值电压会降低。在这个模型的假设下，只有减小源/漏结的深度和增大单位面积栅电容，才能降低阈值电压的偏移量。另外，式（8.22）是建立在源、沟道、漏的空间电荷区都相等的假设基础上推导出来的，如果漏

6、端电压增大，这会使栅控制的沟道电荷数量减少，变短，使阈值电压变成了漏极电压的函数，随着漏极电压增大，N沟器件的阈值电压也会减小。MOSFET的窄沟道效应23MOSFET结构的表面空间电荷区电荷、电场、电容为了更详细地分析表面空间电荷层的性质，可以通过求解泊松方程，定量地求出表面层中的电场强度、电势分布。为此，我们取轴垂直于半导体的表面并指向体内，规定轴的原点在表面处。表面空间电荷区中的电荷密度、电场强度和电势都是的函数。在利用泊松方程求解之前，我们先做如下假设：（1）半导体的表面是无限大表面（表面尺寸远大于空间电荷区的宽度，尽管这种假设会带来误差，但其误差及其微小，可

7、以忽略不计）；这样我们可以利用一维的泊松方程求解。23（2）为了讨论更一般的情况，半导体中的掺杂为补偿掺杂（这一假设更符合实际，因为NMOS器件的沟道大都是经过了补偿掺杂，以得到合适的阈值电压值；PMOS器件的衬底N阱的形成也是在P型原始衬底经过补偿掺杂获得的）。（3）在半导体内部，假定表面空间电荷电离杂质为一常数，且与体内相等，电中性条件成立，所以空间电荷区的净浓度（4）其净掺杂表现为P型半导体。空间电荷区的净浓度可以写成如下形式：其中分别表示电离的施主杂质和电离的受主杂质浓度；如果在常温下杂质完全电离，则有（这是因为我们假设其掺杂为补偿掺杂），；