半导体器件物理-MOSFET3.ppt

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1、西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS场效应晶体管非理想效应2021/7/291场效应器件物理4.3MOSFET亚阈值电流:定义2021/7/29亚阈值电流理想MOSFET：ID=0实际MOSFET：存在亚阈值电流Idsub亚阈区，VGS稍小于VT，表面势：半导体表面处于弱反型区弱反型沟道，形成亚阈值电流IDsubIDsub形成机制？√2021/7/294.3MOSFET亚阈值电流:形成机制n沟道MOSFET堆积状态：势垒很高→电子无法跃过→无法形成表面电流弱反型状态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流强反

2、型状态：势垒极低→大量电子越过势垒→形成沟道电流衬底0势能参考点4.3MOSFET亚阈值电流:对器件的影响亚阈电流表达式:ID与VGS有关，且随VGS指数增加，若VDS>4（kT/e），最后括号部分将近似等于1，IDsub近似与VDS>无关2021/7/29半对数坐标中亚阈电流与VGS之间呈现直线4.3MOSFET亚阈值电流:对器件的影响2021/7/29亚阈值摆幅S（Subthresholdswing）：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S=dVGS/d(lgIDsub)S也是半对数亚阈特性曲线斜率的倒数两点法求斜率：(VGS=VT,Ion

3、)，(VGS0,10-10(Ioff)）k=(lgIon-lgIoff)/(VT–VGS0),S=1/kS小好？大好？Ion变为Ioff，器件关断k越大（S越小），VGS的降低能快速关断器件S是量化MOS管如何随栅压快速关断的参数亚阈值摆幅S影响因素S∝(Cox+Cdep+Cit)/Cox；Cit:界面陷阱电容减薄栅氧厚度（Cox增大）、降低衬底掺杂（Cdep减小）、减小表面陷阱密度（Cit减小）4.3MOSFET亚阈值电流:对器件的影响2021/7/29开关特性变差：VGS略低于VT时，理论上器件关闭由于存在亚阈电流，器件无法正常关闭。静态功耗

4、增加：CMOS电路，总有MOS管处于截止态，若VGS只是稍低于VT，理论器件截止，静态功耗为0。但IDsub存在，静态功耗增大。IDsub只有纳安到微安量级。但大规模IC中包含有上千万甚至数亿个器件，总的IDsub可能达到数个安培.减小IDsub影响的措施增大COX，减小亚阈值摆幅，使器件可以快速关断提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT：通过衬底和源之间加反偏，使VT增加，从而使VGS<

5、Idsub,，可认为器件导通与正常导通相比，ID小，功耗小。亚域区内栅压变，Idsub变，可实现放大低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区。利用亚阈特性进行微弱信号放大的应用研究正得到越来越大的重视2021/7/294.3MOSFET沟道长度调制效应:机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和实际器件(短沟)：L`

6、输出电阻模拟放大电路的MOSFET器件的沟道长度，一般较大：Ro大数字集成电路MOSFET沟长，一般取工艺允许的最小值：速度快、面积小、功耗低利用前面ΔL模型得出的I-V公式，繁琐不易计算,不适合于器件模型考虑沟道长度调制效应的IV常用表达式：电流随着VDS的升高而上升2021/7/294.3MOSFET迁移率变化沟道中的电场由VDS形成的沿沟道方向的电场分量由VG形成的与沟道垂直方向的电场分量对载流子迁移率的影响，随着电场的增强，变得都不可忽略2021/7/294.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(1)表面散射：表面电荷散射和表面不平整

7、散射2021/7/294.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(2)表面迁移率（记为μeff）与反型层中垂直方向的电场Eeff关系：μ0和E0为实验曲线的拟合参数μ0为低场表面迁移率E0为迁移率退化时的临界电场Eeff反型层中所有电子受到的平均电场，与tox关系不明显，取决于氧化层下方电荷：μeff受温度影响大：晶格散射2021/7/294.3MOSFET迁移率变化:纵向电场的影响(3)VGS增加，反型层电荷有效迁移率降低，漏电流、跨导随栅压增加而增加的趋势变缓对漏电流、跨导的影响2021/7/294.3MOSFET迁移率变化:Si的情形临界

8、电场强度饱和漂移速度E较低时，μ为常数，半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比E较高时，达到一临界电场EC时，载流子漂移速度将达到饱和速