半导体器件-----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
式中的Cd为单位面积耗尽区电容。
是热电压,
,在Vds大于几个热电压时等于
对上式两边取对数也可以写成
从式中可以看出,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
,则有
如果规定关断时(当)的电流比在(当
)的电流小5个数量级,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。
(B) 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。
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。
图中显示了长沟道的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,如图所示。
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jx。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制。在阈值反型点,降落在沟道区的空间电荷区上的势差为2Fp,源和漏结的内建电势差也约为2Fp,这表明这三个空间电荷区的宽度大体相等。如图8.3a。
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
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
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,如果漏端电压增大,这会使栅控制的沟道电荷数量减少,'L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
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