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

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