金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管.ppt

1,Chap6 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,2,概述,MOSFET： Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，是超大規(guī)模集成電路的主流器件。 圖6-1：MOSFET的透視圖 柵極：鋁、多晶硅（poly）等 絕緣層：sio2 圖中尺寸的表示：溝道長度、氧化層厚度、器件寬度,3,概述,源極和襯底、漏極和襯底形成兩個PN結(jié)。 工作原理：在柵極加上足夠大的電壓，在柵極下方的半導(dǎo)體表面上會形成反型層，從而將漏極和源極連接，形成導(dǎo)電溝道。 N溝道和P溝道 MOSFET只有一種載流子導(dǎo)電，是單極器件,4,概述,導(dǎo)電溝道的電導(dǎo)受控于柵極電壓，所以漏極電流的大小不僅受漏電壓的控制，還受到柵電壓的控制，這是MOSFET晶體管的工作基本原理。 MOSFET是利用半導(dǎo)體的表面效應(yīng)制成的器件 器件的工作原理與表面現(xiàn)象和性質(zhì)密切相關(guān)。,5,6.1 理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū),理想MOS結(jié)構(gòu)和實際MOS結(jié)構(gòu) 圖6-2：MOS電容器的基本結(jié)構(gòu)和能帶圖 理想MOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)： （1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。 （2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-2b中的情形。,6,功函數(shù)：真空能級到費米能級的能量間隔，即阻止電子逃逸的勢壘。 第二個條件表明金屬和半導(dǎo)體表面的勢能相等。 前兩個條件表明：若沒有外加電壓，半導(dǎo)體的能帶從表面到內(nèi)部都是平的。,6.1 理想MOS結(jié)構(gòu)的表明空間電荷區(qū),7,（3）sio2層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。 因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個表面空間電荷區(qū)中費米能級為常數(shù)。,6.1 理想MOS結(jié)構(gòu)的表明空間電荷區(qū),8,6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū),當在電容器兩端加上電壓后，就會在MOS電容器的兩個極板金屬和半導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。 電量相同，極性相反，分別為QM和QS。 由于金屬中的自由載流子濃度遠大于半導(dǎo)體，因此在半導(dǎo)體中形成一個相當厚的電荷層。 空間電荷區(qū)的電場從半導(dǎo)體表面到內(nèi)部逐漸減弱。,9,6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū),根據(jù)電磁場的邊界條件，每個極板上的感應(yīng)電荷與電場之間滿足如下關(guān)系： 為自由空間的電容率， 為氧化物的相對介電常數(shù)， 為半導(dǎo)體表面的電場， 為半導(dǎo)體相對介電常數(shù)， 為氧化層中的電場。,10,6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū),空間電荷區(qū)中電場的出現(xiàn)使半導(dǎo)體表面與體之間產(chǎn)生一個電位差。 半導(dǎo)體表面電勢 ，被稱為表面勢。 圖6-3，加上電壓后MOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布。,11,6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū),為空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界，亦即空間電荷區(qū)寬度。 外加電壓 為跨越氧化層的電壓 和表面勢 所分攤：,12,6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū),13,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,空間電荷區(qū)的電勢差改變了空間電荷區(qū)的能帶圖。 根據(jù)外加電壓VG的極性和大小，在半導(dǎo)體表明有可能實現(xiàn)三種不同的載流子分布情況：載流子積累、載流子耗盡和載流子反型。,14,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,1、載流子積累 緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積累現(xiàn)象。 以P型半導(dǎo)體為例，金屬電極加負電壓，半導(dǎo)體表面電勢為負，表面能帶向上彎曲,15,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,由熱平衡載流子密度(1-7-28和1-7-29) 如圖6-4（a）在半導(dǎo)體表面形成空穴積累。,16,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,17,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,2、載流子耗盡 金屬電極加正電壓，半導(dǎo)體表面電勢為正，表面能帶向下彎曲，造成表面多數(shù)載流子空穴的耗盡，少子電子的數(shù)目有所增加。 單位面積下的總電荷為： 式中 為耗盡層寬度。,18,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,由泊松方程 可以得到如下的關(guān)系，類似于NP單邊突變結(jié),19,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,20,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,3、載流子反型 在耗盡基礎(chǔ)上進一步增加偏壓，使能帶進一步向下彎曲，在半導(dǎo)體表面，出現(xiàn)少數(shù)載流子電子濃度高于本征載流子濃度，而多數(shù)載流子空穴的濃度低于本征載流子濃度的現(xiàn)象，即表面的半導(dǎo)體由P型變成了N型，稱為反型層，這種現(xiàn)象稱為載流子反型。,21,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,如圖6-4（c）所示。在xI的右邊區(qū)域仍然為P型，半導(dǎo)體表面感應(yīng)出PN結(jié)。 當撤銷外加電壓后，反型層消失，PN結(jié)也消失。 這種PN結(jié)稱為物理PN結(jié)。,22,6.1.2 載流子的積累、耗盡和反型,23,6.1.3 反型和強反型條件,反型的特點：半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子電子濃度高于本征載流子濃度即 因此反型條件為 即半導(dǎo)體表面電勢等于半導(dǎo)體體內(nèi)的費米勢,24,6.1.3 反型和強反型條件,強反型的特點：半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子電子濃度高于熱平衡時的多數(shù)載流子濃度即 因此反型條件為 為出現(xiàn)強反型時的表面電勢。,25,6.1.3 反型和強反型條件,出現(xiàn)強反型后，繼續(xù)增加偏壓VG，導(dǎo)帶電子在很薄的強反型層中迅速增加，屏蔽了外電場。 空間電荷區(qū)的勢壘高度、表面勢、固定的受主電荷，以及空間電荷區(qū)的寬度，都基本不變。 反型層又稱為導(dǎo)電溝道，是MOS場效應(yīng)晶體管工作的物理基礎(chǔ)。,26,6.1.3 反型和強反型條件,27,6.1.3 反型和強反型條件,由公式6-1-16，發(fā)生強反型時的感應(yīng)PN結(jié)耗盡層厚度為 由公式6-1-15， 總的表面空間電荷為,28,6.1.3 反型和強反型條件,為反型層中單位面積下的可動電荷，又稱為溝道電荷。 對于P型半導(dǎo)體，就是反型層中單位面積的電子電荷，是外加電壓VG的函數(shù)（公式6-1-9和6-1-2），在MOSFET中是傳導(dǎo)電流的載流子。,29,6.2 理想MOS電容器,MOS系統(tǒng)具有一定的電容效應(yīng)，因此把它叫做MOS電容器。但QM并不正比于VG，因此需要討論微分電容。 系統(tǒng)單位面積的微分電容,30,6.2 理想MOS電容器,微分電容C與外加偏壓VG的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容電壓特性。 令,31,6.2 理想MOS電容器,則有 其中 為絕緣層單位面積上的電容， 為半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。兩者串聯(lián)構(gòu)成MOS電容C。 稱為歸一化電容。,32,6.2 理想MOS電容器,絕緣層電容為常數(shù)，不隨外加電壓變化： 因此求MOS系統(tǒng)的電容電壓特性關(guān)鍵是求CS隨VG變化的規(guī)律。 將電容隨電壓的變化分成幾個區(qū)域，大致情況如圖6-7所示。,33,6.2 理想MOS電容器,34,6.2 理想MOS電容器,（1）積累區(qū)（VG0） 造成表面多子的大量積累。 稍有變化，就會引起QS的很大變化，即CS較大，與CO串連后可以忽略不計。 隨著VG趨向0，表面空穴積累變小，CS變小，總電容也變小。,35,6.2 理想MOS電容器,（2）平帶情況（VG0） 最后求得的半導(dǎo)體表面電容為 其中LD為德拜長度，標志著為了屏蔽外電場而形成的空間電荷區(qū)厚度。,36,6.2 理想MOS電容器,在完全電離的情況下有 歸一化平帶電容為 與氧化層厚度和襯底凈摻雜濃度有關(guān) 結(jié)論：x0越大，電容越大；NA越大，電容越大（圖6-8）。,37,6.2 理想MOS電容器,（3）耗盡區(qū)（VG0） 由下列兩個公式 得到電容,38,6.2 理想MOS電容器,耗盡層厚度隨電壓上升而加厚，CS下降。 歸一化電容 隨著外加偏壓 的增加而減小。如圖6-7和6-9所示。,39,6.2 理想MOS電容器,（4）反型區(qū)（VG0） 出現(xiàn)反型后的電容與電壓變化頻率有很大關(guān)系，如圖6-9所示。 在積累區(qū)和耗盡區(qū)，QS的變化主要由多子空穴的流動引起，變化的快慢由襯底的介電弛豫時間 決定，一般較短。即只要外界電壓的變化頻率 電容C就與頻率無關(guān)。,40,6.2 理想MOS電容器,出現(xiàn)反型后，少子濃度不能被忽略，表面電荷由兩部分組成：反型層中的電子電荷QI，耗盡層中的受主電荷QB 表面電容CS為,41,6.2 理想MOS電容器,先考慮QI的積累過程，有兩個來源：來自于襯底，很少；來自于耗盡區(qū)的電子空穴對產(chǎn)生，與載流子壽命有關(guān)（一般較長） 同樣，當MOS上的電壓減小時，反型層中的電子要減少，少子數(shù)目的減少主要依賴于電子和空穴在耗盡層的復(fù)合來實現(xiàn)。,42,6.2 理想MOS電容器,（1）高頻電壓 電壓的變化太快，使得QI來不及變化,43,6.2 理想MOS電容器,隨著VG的增加，耗盡層厚度增加，電容下降。 隨著VG增加而形成強反型時，反型層中的電子電荷不斷增加，xd不再增加，MOS電容達到最小值。如圖6-7中的虛線。,44,6.2 理想MOS電容器,（2）低頻電壓 此時載流子壽命與信號頻率變化相當，反型層中的電子電荷變化屏蔽了信號電場,QI的變化對電容貢獻較大，而耗盡層寬度和電荷基本不變。 形成反型后，QI隨電壓的變化很快，CS很大 。如圖6-7。,45,6.2 理想MOS電容器,總結(jié)：MOS系統(tǒng)電容特性 1。由兩個電容CO和CS串聯(lián)。較小的電容起主要作用。 2、C-V特性 積累區(qū)、平帶情況、耗盡區(qū)、反型區(qū)、C-V特性隨信號頻率的變化。,46,6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓,一、溝道電導(dǎo) 反型層在源和漏之間形成了一條導(dǎo)電通道，稱為溝道。 溝道電導(dǎo)為 式中 為溝道中的電子濃度。 為溝道寬度。,47,6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓,即為反型層中單位面積下的總的電子電荷 溝道電導(dǎo)為,48,6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓,二、閾值電壓 ：定義為形成強反型所需要的最小柵電壓。 當出現(xiàn)強反型時,49,6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓,溝道感應(yīng)電荷QI受到VG的控制，只有當VGVTH時，才會有QI。這是MOSFET工作的基礎(chǔ)-場效應(yīng)。 閾值電壓：,50,6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓,第一項表示在形成強反型時，要用一部分電壓去支撐空間電荷 ； 第二項表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達到強反型時所需要的表面勢 。,51,6.4 實際MOS的電容電壓特性,6.4.1功函數(shù)的影響 功函數(shù)的定義：把一個電子從費米能級移動到真空能級上所需要做的功。 實際系統(tǒng)中，鋁的功函數(shù)比P型硅要小，因此前者的費米能級要高。 從電子的運動趨勢可得，當VG=0時，半導(dǎo)體的表面勢,52,6.4.1功函數(shù)的影響,表面勢的存在使得在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲。 要消除功函數(shù)差所帶來的影響，就必須在金屬電極上加一個負電壓，稱為平帶電壓。,53,6.4.1功函數(shù)的影響,54,6.4.1功函數(shù)的影響,在一般情況下，外加電壓VG的一部分VG1用來使能帶拉平，剩下的一部分 VG-VG1起到理想MOS系統(tǒng)的VG的作用。 對于半導(dǎo)體的空間電荷以及MOS的C-V特性而言， VG-VG1起著有效電壓的作用。,55,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,氧化層電荷和Si-SiO2界面陷阱（包括四種電荷）：界面陷阱電荷、氧化物固定電荷、氧化物陷阱電荷、可移動離子電荷。,56,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,57,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,（1）界面陷阱電荷（interface trapped charge） （2）氧化物固定電荷（fixed oxide charge） （3）氧化物陷阱電荷（oxide trapped charge） 大都可以通過低溫退火消除。,58,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,（4）可動離子電荷（mobile ionic charge）諸如鈉離子和其它堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們能在氧化層內(nèi)移動。,59,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,忽略功函數(shù)的影響。 由于上述四種非理想陷阱及電荷的影響，在VG=0的情況下，會在氧化層中積累一定的正電荷。 取金屬氧化物截面為橫坐標0點，假設(shè)在x處的薄層中有單位面積正電荷Q0。假設(shè)在金屬表面上感應(yīng)出的負電荷為QM，在半導(dǎo)體表面上感應(yīng)出的負電荷為QS,60,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,且有關(guān)系QM+QS=Q0 此時半導(dǎo)體表面的能帶向下彎曲，為拉平能帶，需要在金屬電極上加一個負電壓VG2，使QM=Q0，QS=0。,61,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,因此絕緣層中正電荷對平帶電壓的影響與它們的位置有關(guān)，離金屬電極越近，對平帶電壓的影響越小。 如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為 ，則,62,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,總的平帶電壓 其中 稱為有效面電荷。,63,6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響,為了方便，將上述四種電荷統(tǒng)稱為氧化層電荷，記為Q0。在多數(shù)情況下，在硅氧化硅截面上由表面態(tài)引起的電荷占優(yōu)勢，取x=x0，則平帶電壓為,64,6.4.3 實際MOS閾值電壓和C-V曲線,綜合考慮功函數(shù)差和氧化層電荷的影響，為實現(xiàn)平帶條件所需的偏壓即平帶電壓。 閾值電壓必須修正，改寫為,65,6.4.3 實際MOS閾值電壓和C-V曲線,第一項是為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓； 第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；,66,6.4.3 實際MOS閾值電壓和C-V曲線,第三項是支撐出現(xiàn)強反型時的體電荷 所需要的外加電壓； 第四項是開始出現(xiàn)強反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。,67,6.4.3 實際MOS閾值電壓和C-V曲線,外加偏壓VG的一部分VFB用來使能帶拉平，剩下的一部分VG-VFB起到理想MOS系統(tǒng)的VG作用。而VFB0，則C-V曲線應(yīng)該向左移動。 如圖6-14所示。,68,6.5 MOS場效應(yīng)晶體管,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程 基本結(jié)構(gòu)描述：四端器件；氧化物上的金屬電極稱為柵極；源和漏的下方區(qū)域稱為場區(qū)，柵下區(qū)域稱為有源區(qū)。 基本參數(shù)：溝道長度L；氧化層厚度x0；稱的摻雜濃度Na。,69,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程,工作原理：以源極為電壓參考點。 只加電壓VD，源到漏相當于兩個背靠背的PN結(jié)，通過的電流是反向漏電流，很小。 柵極加正電壓VG，在半導(dǎo)體表面形成溝道，漏、源被溝道相連。 溝道電導(dǎo)可以通過柵壓控制。 體電勢：也會影響溝道電導(dǎo)。,70,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程,（1）線性區(qū)：形成反型，但漏電壓很小 溝道作用相當于電阻，漏電流和漏電壓VD成正比。,71,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程,（2）開始飽和：漏電壓增加，使靠近漏端的溝道寬度減小為0，稱為溝道夾斷。產(chǎn)生夾斷的地方稱為夾斷點，夾斷時的漏電壓記為VDsat。,72,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程,73,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程,（3）飽和：當VDVDsat時，夾斷點左移，但夾斷點的電壓保持不變即溝道兩端電壓保持不變，因此漏電流也不變，主要變化是L縮短,74,6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程,75,6.5.2靜態(tài)特性,將襯底和源接地。,76,6.5.2靜態(tài)特性,（1）線性區(qū) 溝道感應(yīng)電荷 漂移電子電流,77,6.5.2靜態(tài)特性,漏電流方程 （6-5-4）式稱為薩支唐（C.T. Sah）方程。,78,6.5.2靜態(tài)特性,考慮到溝道電壓的作用 將6-5-6代入6-4-12，再代入6-5-4，積分后得到6-5-7。 一般采用簡化的6-5-4表示漏電流。 圖6-17：6-5-4和6-5-7兩種I/V特性的比較,79,6.5.2靜態(tài)特性,（2）飽和區(qū) 假設(shè)在L點發(fā)生夾斷，則在L處有,80,6.5.2靜態(tài)特性,把式（6-5-8）代入式（6-5-4）得 上式只在開始飽和時有效。超過這一點，電流可看作常數(shù)。,81,6.5.2靜態(tài)特性,82,6.5.2靜態(tài)特性,（3）截止區(qū) 沒有形成反型層。,83,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),一、小信號參數(shù) 1、線性導(dǎo)納gd 對6-5-5求導(dǎo)可得：,84,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),線性區(qū)的電阻，稱為開態(tài)電阻，或?qū)娮瑁捎孟率奖硎?85,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),2、跨導(dǎo)gm 線性區(qū)：對6-5-5求導(dǎo)： 飽和區(qū)：對6-5-9求導(dǎo)：,86,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),飽和區(qū)跨導(dǎo)gm的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納gb 的相同。在假設(shè)QB為常數(shù)時才成立。 跨導(dǎo)標志了MOSFET的放大能力。 3、飽和區(qū)的漏極電阻,87,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),MOSFET小信號等效電路,88,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),4、截止頻率 定義為輸出電流和輸入電流之比為1時的頻率，即當器件輸出短路時，器件不能夠放大輸入信號時的頻率。,89,6.6 等效電路和頻率響應(yīng),柵極總電容CG CGC0ZL 結(jié)論：為了提高工作頻率或工作速度，溝道長度要短，載流子遷移率要高。,90,6.7 亞閾值區(qū),當VGSVT時，半導(dǎo)體表面僅僅只是弱反型，溝道中仍有較小的漏電流，該電流稱為亞閾值電流，主要由載流子的擴散引起。這種現(xiàn)象稱為亞閾值傳導(dǎo)。 當MOSFET作為數(shù)字邏輯電路開關(guān)極存儲器使用時，亞閾值區(qū)特別重要。因為亞閾值區(qū)描述了開關(guān)如何導(dǎo)通和截止。,91,6.7 亞閾值區(qū),結(jié)論：為了使亞閾值電流小到可以忽略不計，必須將MOSFET偏置在比VTH低0.5V或者更低的電壓下。,92,6.8 MOS場效應(yīng)晶體管的類型,按照反型層類型的不同，MOSFET可分四種不同的基本類型： N溝MOSFET： 1、若在零柵壓下溝道電導(dǎo)很小，柵極必須加上正向電壓才能形成溝道，那么，這種器件就是增強型N溝MOSFET。,93,6.8 MOS場效應(yīng)晶體管的類型,2、若在零偏壓下已存在N型溝道，為了減小溝道電導(dǎo)，柵極必須加負電壓以耗盡溝道載流子，這樣的器件是耗盡型N溝MOSFET。 對于增強型N溝器件，要使溝道通過一定的電流，正的柵偏置電壓必須比閾值電壓大。,94,6.8 MOS場效應(yīng)晶體管的類型,而耗盡型N溝器件，在VG=0時，溝道已可流過很大的電流，改變柵壓可以增加或減小溝道電流。 3、增強型P溝MOSFET 4、耗盡型P溝MOSFET,95,6.8 MOS場效應(yīng)晶體管的類型,96,6.8 MOS場效應(yīng)晶體管的類型,97,6.9 影響閾值電壓的其余因素,三個因素：襯底摻雜濃度、氧化層厚度、體電勢。 上式中的C0與氧化層厚度x0有關(guān)，QB與襯底摻雜濃度有關(guān)。,98,6.9 影響閾值電壓的其余因素,在MOS集成電路的設(shè)計和生產(chǎn)中，閾值電壓的控制十分重要，必須按照電路要求可靠的生產(chǎn)出增強型或耗盡型器件。 大多數(shù)應(yīng)用中需要的是增強型器件，對NMOS要求VTH0，對PMOS要求VTH0。 對于NMOS器件，由于VFB0，后面兩項的和必須大于VFB才能滿足要求。,99,6.9 影響閾值電壓的其余因素,對于PMOS，生產(chǎn)增強型沒有困難。 對于NMOS，VTH正比于氧化層厚度和襯底摻雜。 圖6-23：VTH在低摻雜下是負的，在高摻雜下變成正的。 控制VTH方法之一：離子淺注入。通過柵氧化層把雜質(zhì)注入到溝道表面的薄層內(nèi)，從而增加溝道的摻雜量，提高閾值電壓。,100,6.9 影響閾值電壓的其余因素,控制VTH方法之二：控制氧化層厚度。 場區(qū)氧化層比柵氧化層厚，使場區(qū)的閾值電壓大于柵氧化層下的閾值電壓，當柵下形成導(dǎo)電溝道后，場氧化層下的半導(dǎo)體表面仍保持耗盡狀態(tài)。 適用于MOS器件之間的隔離。 如圖6-24所示。,101,6.9 影響閾值電壓的其余因素,防止寄生溝道：在氧化層的上方要走線，當導(dǎo)線電壓較高時，會在場區(qū)半導(dǎo)體表面形成反型，產(chǎn)生寄生溝道，導(dǎo)致電路不能正常工作。為了防止寄生溝道，場區(qū)必須進行高濃度摻雜（摻與襯底同類型的雜質(zhì)），使表面不容易反型，從而將溝道隔斷。,102,6.9 影響閾值電壓的其余因素,控制VTH方法之三：施加襯底偏壓。當在襯底加一個反向偏壓時，耗盡層加寬，QB增加，導(dǎo)致VTH增加。 圖6-25：襯底偏壓對閾值電壓的影響,103,6.10 器件尺寸比例,為了提高集成度，以及提高頻率特性，器件的尺寸越來越小，由此帶來一些效應(yīng)，如短溝道效應(yīng)。 當溝道長度縮減后，源極與漏極的電場會影響電荷分布、閾值電壓等。 如何縮小尺寸？ 如何減小短溝道效應(yīng)？,104,6.10.1 短溝道效應(yīng),1、線性區(qū)的閾值電壓下降 當MOSFET工作在線性區(qū)時，漏極結(jié)的耗盡區(qū)寬度近似與源極結(jié)相同。 由于溝道的耗盡區(qū)與源極和漏極的耗盡區(qū)重疊，由柵極偏壓產(chǎn)生的電場所感應(yīng)生成的電荷應(yīng)該近似為梯形。 有效溝道長度減小，閾值電壓下降。,105,6.10.1 短溝道效應(yīng),也可以理解為：溝道長度減小到一定程度后，源、漏結(jié)的耗盡區(qū)在整個溝道中所占的比重增大，柵下面的硅表面形成反型層所需的電荷量減小，因而閾值電壓減小。,106,6.10.1 短溝道效應(yīng),2、遷移率場相關(guān)效應(yīng)及載流子速度飽和效應(yīng) 低場下遷移率是常數(shù),載流子速度隨電場線性增加。高場下遷移率下降,載流子速度達到飽和,不再與電場有關(guān)。速度飽和對使漏端飽和電流大大降低，并且使飽和電流與柵壓的關(guān)系不再是長溝道器件中的近平方關(guān)系，而是線性關(guān)系。,107,6.10.1 短溝道效應(yīng),3、亞閾特性退化，器件夾不斷 亞閾區(qū)泄漏電流使MOSFET器件關(guān)態(tài)特性變差，靜態(tài)功耗變大。在動態(tài)電路和存儲單元中，它還可能導(dǎo)致邏輯狀態(tài)發(fā)生混亂。 當短溝道MOSFET的漏極電壓由線性區(qū)增至飽和區(qū)時，其閾值電壓的下降將更嚴重，此效應(yīng)稱為漏場感應(yīng)勢壘下降（DIBL）。,108,6.10.1 短溝道效應(yīng),DIBL效應(yīng)是指，當漏極加上高電壓時。由于柵很短，漏極與源極太接近會造成的表面區(qū)電場滲透，使得漏極與源極之間的勢壘高度降低，導(dǎo)致電子由源極注入漏極，造成亞閾值電流的增加。 因此在短溝道條件中，閾值電壓