1、半导体器件物理半导体器件物理MOSFET34.3 MOSFET 亚阈值电流亚阈值电流:定义定义亚阈值电流亚阈值电流p理想理想MOSFET：ID=0p实际实际MOSFET：存在亚阈值电流：存在亚阈值电流Idsubp亚阈区，亚阈区，VGS稍小于稍小于VT，u表面势：表面势：u半导体表面处于弱反型区半导体表面处于弱反型区u弱反型沟道，形成亚阈值电流弱反型沟道，形成亚阈值电流IDsubpIDsub形成机制？形成机制？1/26/20234.3 MOSFET 亚阈值电流亚阈值电流:形成机制形成机制n沟道沟道MOSFETp堆积状态：势垒很高堆积状态：势垒很高电子无电子无 法跃过法跃过无法形成表面电流无法形成
2、表面电流p弱反型状态：势垒较低弱反型状态：势垒较低电子电子有一定几率越过势垒有一定几率越过势垒形成亚阈形成亚阈值电流值电流p强反型状态：势垒极低强反型状态：势垒极低大量大量电电子越过势垒子越过势垒形成沟道电流形成沟道电流衬底衬底0势能参考点势能参考点1/26/20234.3 MOSFET 亚阈值电流亚阈值电流:对器件的影响对器件的影响o亚阈电流表达式亚阈电流表达式:oID与与VGS有关，且随有关，且随VGS指数增加，指数增加，o若若VDS4（kT/e），最后括号部分将近似等于），最后括号部分将近似等于1，IDsub近似与近似与VDS无关无关半对数坐标中亚阈电流半对数坐标中亚阈电流与与VGS之间
3、呈现直线之间呈现直线 1/26/20234.3 MOSFET 亚阈值电流亚阈值电流:对器件的影响对器件的影响p亚阈值摆幅亚阈值摆幅S（Subthreshold swing）：漏电流减小一个数量级所需的栅压变）：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，化量，S=dVGS/d(lgIDsub)pS也是半对数亚阈特性曲线斜率的倒数也是半对数亚阈特性曲线斜率的倒数u两点法求斜率：两点法求斜率：(VGS=VT,Ion)，(VGS0,10-10(Ioff)）uk=(lgIon-lgIoff)/(VT VGS0),S=1/kpS小好？大好？小好？大好？u Ion变为变为Ioff，器件关断，器件关断uk越大（越
4、大（S越小），越小），VGS的降低能快速关断器件的降低能快速关断器件uS是是量化量化MOS管如何随栅压管如何随栅压快速关断快速关断的参数的参数p亚阈值摆幅亚阈值摆幅S影响因素影响因素uS(Cox+Cdep+Cit)/Cox；Cit:界面陷阱电容界面陷阱电容u减薄栅氧厚度（减薄栅氧厚度（Cox增大）、降低衬底掺杂（增大）、降低衬底掺杂（Cdep减小）、减小表面陷阱密度减小）、减小表面陷阱密度（Cit减小）减小）1/26/20234.3 MOSFET 亚阈值电流亚阈值电流:对器件的影响对器件的影响o开关特性变差：开关特性变差：oVGS略低于略低于VT时，理论上器件关闭时，理论上器件关闭o由于存在亚
5、阈电流，器件无法正常关闭。由于存在亚阈电流，器件无法正常关闭。o静态功耗增加：静态功耗增加：oCMOS电路，总有电路，总有MOS管处于截止态，若管处于截止态，若VGS只是稍低于只是稍低于VT，理论器，理论器件截止，静态功耗为件截止，静态功耗为0。但。但IDsub存在，静态功耗增大。存在，静态功耗增大。oI Dsub只有纳安到微安量级。但大规模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中包含有上千万甚至数亿个器件，总的件，总的 I Dsub可能达到数个安培可能达到数个安培.o减小减小I Dsub影响的措施影响的措施o增大增大COX，减小亚阈减小亚阈值值摆幅摆幅，使器件可以快速关断
6、，使器件可以快速关断o提高提高关断关断/待机待机状态下器件的阈值电压状态下器件的阈值电压VT：通过：通过衬底和源之间加反偏衬底和源之间加反偏，使使VT增加，增加，从而使从而使VGSVT.oVGS下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无下器件脱离弱反型，处于耗尽区，无I Dsub，静态功耗大幅降低，静态功耗大幅降低1/26/20234.3 MOSFET 亚阈值电流的应用亚阈值电流的应用o 亚域区的利用：亚域区的利用：o VGS比比VT小，存在小，存在Idsub,，可认为器件导通，可认为器件导通o 与正常导通相比，与正常导通相比，ID小，功耗小。小，功耗小。o 亚域区内亚域区内栅压变，栅压变，Idsub变
7、，可实现放大变，可实现放大o 低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区。低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区。o 利用亚阈特性进行微弱信号放大的应用研究正得到越来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越大的重视1/26/20234.3 MOSFET 沟道长度调制效应沟道长度调制效应:机理机理p理想长沟：理想长沟：LL，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和p实际器件实际器件(短沟短沟)：L L，导电沟道区的等效电阻减小，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加增加,沟道长度调制效应沟道长度调制效应1/26/20234.3 MOS
8、FET 沟道长度调制效应沟道长度调制效应:模型模型p沟道长度调制效应系数：沟道长度调制效应系数：p不是一个常数，和沟长有关：不是一个常数，和沟长有关：p放大应用时，影响电压放大倍数的参数：饱和区输出电阻放大应用时，影响电压放大倍数的参数：饱和区输出电阻u模拟放大电路的模拟放大电路的MOSFET器件的沟道长度，一般较大：器件的沟道长度，一般较大：Ro大大u数字集成电路数字集成电路MOSFET沟长，一般取工艺允许的最小值：沟长，一般取工艺允许的最小值：速度快、面积小、功耗低速度快、面积小、功耗低p利用前面利用前面L模型得出的模型得出的I-V公式，繁琐不易计算公式，繁琐不易计算,不适合于器件模型不适
9、合于器件模型p考虑沟道长度调制效应的考虑沟道长度调制效应的IV常用表达式：电流随着常用表达式：电流随着VDS的升高而上升的升高而上升1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化p沟道中的电场沟道中的电场u由由VDS形成的沿沟道方向的电场分量形成的沿沟道方向的电场分量u由由VG形成的与沟道垂直方向的电场分量形成的与沟道垂直方向的电场分量u对载流子迁移率的影响，随着电场的增强，变得都不可忽略对载流子迁移率的影响，随着电场的增强，变得都不可忽略1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:纵向电场的影响纵向电场的影响(1)(1)u 表面散射：表面电荷散射和表面散射：表
10、面电荷散射和 表面不平整散射表面不平整散射1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:纵向电场的影响纵向电场的影响(2)(2)p表面迁移率（记为表面迁移率（记为eff）与反型层中垂直）与反型层中垂直方向的电场方向的电场Eeff关系：关系：u0和和E0为实验曲线的拟合参数为实验曲线的拟合参数u0为低场表面迁移率为低场表面迁移率uE0为迁移率退化时的临界电场为迁移率退化时的临界电场uEeff反型层中所有电子受到的平均电场，反型层中所有电子受到的平均电场，与与tox关系不明显，取决于氧化层下方关系不明显，取决于氧化层下方电荷：电荷：peff受温度影响大：晶格散射受温度影响大：晶格散
11、射1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:纵向电场的影响纵向电场的影响(3)(3)uVGS增加，反型层电荷有效迁移率降低，漏电流、跨导随栅压增增加，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加而增加的趋势变缓p对漏电流、跨导的影响对漏电流、跨导的影响1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:Si:Si的情形的情形临界电场强临界电场强度度饱和漂移速饱和漂移速度度pE较低时，较低时，为常数，半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比为常数，半导体载流子漂移速度与沟道方向电场正比pE较高时，达到一临界电场较高时，达到一临界电场EC时，载流子
12、漂移速度将达到饱和速度时，载流子漂移速度将达到饱和速度vSat,使载流子的使载流子的下降下降1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:纵向电场的影响纵向电场的影响(2)(2)p有效迁移率（记为有效迁移率（记为）常用经验公式：）常用经验公式：p载流子速度饱和，载流子速度饱和，VDS,载流子载流子v 不变不变,电流饱和：电流饱和：u若若为常数，为常数，VDS，E,v，直到漏端夹断，直到漏端夹断，发生夹断饱和发生夹断饱和u速度饱和时，器件还未发生夹断饱和，速度饱和时，器件还未发生夹断饱和，属于提前饱和，属于提前饱和，1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:速
13、度饱和效应速度饱和效应u饱和漏源电流与栅压成线性关系饱和漏源电流与栅压成线性关系u饱和区跨导与偏压及沟道长度无关饱和区跨导与偏压及沟道长度无关u截止频率与栅压无关截止频率与栅压无关1/26/20234.3 MOSFET 迁移率变化迁移率变化:速度饱和效应速度饱和效应pVGSVT0(较小较小)：强反型区，器件易发生夹断饱和，：强反型区，器件易发生夹断饱和，ID与与VGS 平方关系，中电流，平方关系，中电流，gm与与VGS线性关系线性关系pVGSVT0(很大很大)：器件很难发生夹断饱和，易发生速度饱和，：器件很难发生夹断饱和，易发生速度饱和，大电流，但跨导饱和。大电流，但跨导饱和。p模拟放大电路设
14、计中：放大用模拟放大电路设计中：放大用MOSFET避免工作在速度饱和区，避免工作在速度饱和区，因为跨导不变，消耗的电流（功耗）却在增加因为跨导不变，消耗的电流（功耗）却在增加,接近就接近就OK，使，使gm较大较大1/26/20234.3 MOSFET 阈值电压修正：阈值电压修正：V VT T与与L L、WW的相关性的相关性漏、源区漏、源区扩散结深扩散结深rj表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度xdTn沟道沟道MOSFET短沟道短沟道长沟道长沟道n沟道沟道MOSFET窄沟道窄沟道宽沟道宽沟道1/26/20234.3 MOSFET 阈值电压修正：阈值电压修正：V VT T随随L L的变化的变化p利
15、用电荷共享模型分析（实际利用电荷共享模型分析（实际MOSFET）：）：u源衬结和漏衬结的耗尽层向沟道区扩展源衬结和漏衬结的耗尽层向沟道区扩展u耗尽层内近耗尽层内近S/D区的部分体电荷的电力线中止于源漏区区的部分体电荷的电力线中止于源漏区u近似认为：左右下方两个三角形内的耗尽层电荷在近似认为：左右下方两个三角形内的耗尽层电荷在VDB、VSB下产生，下产生，只梯形内的空间电荷由只梯形内的空间电荷由VGS控制产生。控制产生。p理想情况（长沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对少，近似理想情况（长沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对少，近似栅氧下方耗尽层电荷都是在栅氧下方耗尽层电荷都是在VGS控制产
16、生控制产生u实际情况（短沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对增加，实际需实际情况（短沟器件）：两侧三角形内空间电荷的量相对增加，实际需VGS控制产生的电荷减少，控制产生的电荷减少，VT减小减小1/26/20234.3 MOSFET 阈值电压修正：阈值电压修正：V VT T随随L L的变化的变化p沟道越短，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越小，沟道越短，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越小，VT越小越小1/26/20234.3 MOSFET 阈值电压修正：阈值电压修正：V VT T随随WW的变化的变化pMOSFET半导体表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽现象半导体表面耗尽层在宽度方向将存在横向展宽
17、现象u中间矩形和两侧的空间电荷均在中间矩形和两侧的空间电荷均在VGS作用下产生作用下产生u理想情况理想情况(宽沟器件宽沟器件)：两侧空间电荷的量相对少，可忽略，只中间矩形内：两侧空间电荷的量相对少，可忽略，只中间矩形内的耗尽层电荷需要栅压产生的耗尽层电荷需要栅压产生u实际情况实际情况(窄沟器件窄沟器件)：两侧空间电荷的量相对多，不可忽略，阈值反型：两侧空间电荷的量相对多，不可忽略，阈值反型点需点需VGS产生的耗尽层电荷增多，产生的耗尽层电荷增多，VT增大增大沿沟宽沿沟宽W的器件剖面的器件剖面图图1/26/20234.3 MOSFET V VT T随随WW的变化的变化:表面电荷表面电荷若栅边缘处
18、耗尽层的扩展相等，均为若栅边缘处耗尽层的扩展相等，均为耗尽层最大厚度耗尽层最大厚度XdT，则两侧为，则两侧为1/4圆圆p沟道越窄，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越大，沟道越窄，由栅控制的耗尽层电荷面电荷密度越大，VT越大越大1/26/2023p通过离子注入技术向沟道区注入杂质调整通过离子注入技术向沟道区注入杂质调整VT，改变了氧化层附，改变了氧化层附近衬底的近衬底的N。p离子注入技术是微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控离子注入技术是微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制制MOSFET阈值电压的一个重要手段。阈值电压的一个重要手段。p离子注入的优点是离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂
19、量、深度分布和面均能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性匀性，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容效应）。可实现自对准技术（以减小电容效应）。4.3 MOSFET 离子注入调整离子注入调整V VT T:原理原理1/26/2023pp型半导体表面注入受主杂质型半导体表面注入受主杂质Na（如（如B）半导体半导体表面净掺杂表面净掺杂浓度浓度表面更难以反型表面更难以反型V VT T4.3 MOSFET 离子注入调整离子注入调整V VT T:原理原理受主注入剂量（单位面积注入的离子数）受主注入剂量（单位面积注入
20、的离子数）注入前的阈值电压注入前的阈值电压pp型半导体表面注入施主杂质型半导体表面注入施主杂质Nd（如（如P）半导体半导体表面净掺杂浓度表面净掺杂浓度表面更容易反型表面更容易反型V VT T施主注入剂量（单位面积注入的离子数）施主注入剂量（单位面积注入的离子数）n公式前提：所有的注入杂质，都参与改变公式前提：所有的注入杂质，都参与改变VTn实际情况？实际情况？1/26/20234.3 MOSFET 离子注入调整离子注入调整V VT T:注入杂质分布注入杂质分布注入后的平均掺杂浓度注入后的平均掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度注入深度p给定剂量给定剂量Di后，对后，对VT影响量与杂
21、质注入到影响量与杂质注入到S后的分布函数相关后的分布函数相关uDelta函数型分布函数型分布u阶跃函数型分布阶跃函数型分布u高斯函数型分布高斯函数型分布:更接近实际情况，分析较复杂更接近实际情况，分析较复杂XIXdT,VT利用利用NS求出求出注入深度注入深度单位面积注入的离子数单位面积注入的离子数DIXdT：注入后的最大耗尽层厚度：注入后的最大耗尽层厚度1/26/20234.3 MOSFET MOSFET ICMOSFET IC的发展的发展若尺寸缩小若尺寸缩小30，则，则 栅延迟减少栅延迟减少30，工作频率增加，工作频率增加43 单位面积的晶体管数目加倍单位面积的晶体管数目加倍 每次切换所需能
22、量减少每次切换所需能量减少65，节省功耗，节省功耗50pMOSFET IC的发展趋势：的发展趋势：u0.25um0.18 um0.13um90nm60nm 45nm 32nm 22nm 16nm，每一代工艺，每一代工艺uL kL，k 0.7，p尺寸缩小好处：尺寸缩小好处：u提高集成度：同样功能所需芯片面积更小提高集成度：同样功能所需芯片面积更小u提升功能：同样面积可实现更多功能提升功能：同样面积可实现更多功能u降低成本：单管成本降低降低成本：单管成本降低u改善性能：速度加快，单位功耗降低改善性能：速度加快，单位功耗降低1/26/2023p完全按（恒定电场）比例缩小完全按（恒定电场）比例缩小(F
23、ull Scaling)u 尺寸与电压按同样比例缩小尺寸与电压按同样比例缩小u 电场强度保持不变电场强度保持不变u 最为理想，但难以实现（器件阈值电压不能按比例缩小）最为理想，但难以实现（器件阈值电压不能按比例缩小）4.3 MOSFET 缩小方式缩小方式p恒压按比例缩小恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling)u尺寸按比例缩小，电压保持不变尺寸按比例缩小，电压保持不变u电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重p一般化按比例缩小一般化按比例缩小(General Scaling)u尺寸和电场按不同的比例因子缩小尺寸和电场按不同的比例因子缩小
24、u迄今为止的实际做法迄今为止的实际做法1/26/20234.3 MOSFET 完全按比例缩小完全按比例缩小:规则规则1/26/20234.3 MOSFET 完全按比例缩小完全按比例缩小:结果结果n按比例缩小的参数：尺寸与电压按同样比例缩小按比例缩小的参数：尺寸与电压按同样比例缩小n器件尺寸参数（器件尺寸参数（L，tox，W，xj）：）：k倍倍n掺杂浓度（掺杂浓度（Na，Nd）：）：1/k倍倍n电压电压V：k倍倍n对其他器件参数的影响对其他器件参数的影响n电场电场E：1倍倍n耗尽区宽度耗尽区宽度Xd：k倍倍n电阻电阻R（与（与W/L成正比）：成正比）：1倍倍;总栅电容（与总栅电容（与WL/tox
25、成正比）成正比）:k倍倍n漏电流漏电流I（与（与WV/L成正比成正比):k倍倍n对电路参数的影响对电路参数的影响n器件密度（器件密度（与与WL成反比）：成反比）：1/k2倍倍n每器件功耗每器件功耗P（与（与IV成正比）成正比）:k2倍倍n器件功率密度（每器件功耗器件功率密度（每器件功耗/器件面积）（与器件面积）（与IV/WL成正比）成正比）:1n电路延迟时间（与电路延迟时间（与RC成正比）：成正比）：k倍倍1/26/20234.3 MOSFET 完全按比例缩小完全按比例缩小:小结小结p电压和尺寸不能按同比例减小，电压缩小量小电压和尺寸不能按同比例减小，电压缩小量小pE随着工艺尺寸的缩小，一定程
26、度上在增加随着工艺尺寸的缩小，一定程度上在增加p沟道长度减小到一定程度后出现的由大电场引起的一系列二级物理效应，沟道长度减小到一定程度后出现的由大电场引起的一系列二级物理效应，统称为短沟道效应。包括：统称为短沟道效应。包括：uID不饱和，与不饱和，与VDS相关；相关；u沟长缩短后，沟长缩短后，VDS产生的高产生的高E时载流子速度饱和，跨导下降时载流子速度饱和，跨导下降u阈值电压与阈值电压与L、W有关，不再是常数有关，不再是常数u亚阈特性退化，器件关不断亚阈特性退化，器件关不断u诱发器件发生各种击穿：栅氧击穿、漏衬雪崩、源漏穿通诱发器件发生各种击穿：栅氧击穿、漏衬雪崩、源漏穿通u影响器件寿命的热
27、载流子效应影响器件寿命的热载流子效应1/26/20234.3 MOSFET 完全按比例缩小完全按比例缩小:小结小结p为了提高器件性能，为了提高器件性能，L要继续缩小，还必须要防止出现短沟道效应要继续缩小，还必须要防止出现短沟道效应p原则：原则：应使短沟道器件保持电学上的长沟道特性，标志：应使短沟道器件保持电学上的长沟道特性，标志：uVDS3kt/e,弱反型区弱反型区IDsub与与VDS无关无关uID与与1/L成正比成正比p长沟道特性最小沟长（经验公式）：长沟道特性最小沟长（经验公式）：uL=c1rjtox(WS+WD)21/3uc1为常数（为常数（0.4），），rj源漏结深，源漏结深，tox氧
28、化层厚度氧化层厚度uWS+WD源漏区耗尽层宽度之和源漏区耗尽层宽度之和p有利于器件继续发展的技术（可延缓短沟道效应）：有利于器件继续发展的技术（可延缓短沟道效应）：u高高K介质：放缓了器件对栅介质厚度缩小的需求，使缺陷减少，介质：放缓了器件对栅介质厚度缩小的需求，使缺陷减少，E减小减小uFinFET器件的使用：薄体区，减缓穿通，改善亚阈值摆幅，减小电路功耗器件的使用：薄体区，减缓穿通，改善亚阈值摆幅，减小电路功耗1/26/2023pMOSFET是多子器件，提高沟道中的载流子迁移率是多子器件，提高沟道中的载流子迁移率有利于有利于MOS晶晶体管特性的提高。体管特性的提高。u电子迁移率比空穴迁移率高
29、，因此电子迁移率比空穴迁移率高，因此NMOS性能优于性能优于PMOS。pMOSFET是一种表面型器件，提高器件性能的关键是改善表面特是一种表面型器件，提高器件性能的关键是改善表面特性和缩小表面沟道几何尺寸。性和缩小表面沟道几何尺寸。p栅、源极间有绝缘栅介质，栅电流极小，因此栅、源极间有绝缘栅介质，栅电流极小，因此MOSFET是容性高是容性高输入阻抗器件。输入阻抗器件。u容性输入阻抗可用来储存信息。这在存储电路设计中是十分重要的。容性输入阻抗可用来储存信息。这在存储电路设计中是十分重要的。p由于沟道和衬底之间构成由于沟道和衬底之间构成pn结，在同一衬底上形成的多个结，在同一衬底上形成的多个MOS
30、晶晶体管之间具有自隔离的效果。体管之间具有自隔离的效果。4.3 MOSFET 器件特点器件特点pMOSFET是电压控制器件：是电压控制器件：VGS控制控制IDS（BJT为电流控制器件）为电流控制器件）p输入端输入端G-S为绝缘栅，输入电流很小，输入阻抗很高为绝缘栅，输入电流很小，输入阻抗很高（BJT低输入阻抗）低输入阻抗）p沟道电流沟道电流IDS为多子漂移电流，所以为多子漂移电流，所以MOSFETFET为单极器为单极器（BJT为双极器件）为双极器件）p饱和区指饱和区指VDS，但是沟道电流为饱和的区域，但是沟道电流为饱和的区域（BJT饱和区指饱和区指IB，但是，但是IC和和VCE都基本不变区域）都基本不变区域）pIDS-VDS特性曲线从原点特性曲线从原点“扇形扇形”展开展开 （BJT是从一条是从一条“包络线包络线”弹出）弹出）4.3 MOSFET 器件特点器件特点
