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mos線性閾值模型

信息來源:本站 日期:2017-07-06 

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MOSFET按比例減少MOSFET尺寸的縮減在一開端即為一持續(xù)的趨向.在集成電路中,較小的器件尺寸可到達較高的器件密度,此外,較短的溝道長度町改善驅(qū)動電流(ID~1/L)以及工作時的特性,但是,由于電子器件尺寸的縮減,溝道邊緣(如源極、漏極及絕緣區(qū)邊緣)的擾動將變得愈加重要,因而器件的特性將不再恪守長溝道近似(long channel approximation)的假定.


6.3.1  短溝道效應(yīng)(short-channel effect)式(45)中的閾值電壓是基于6.2,l節(jié)中的突變溝道近似推導(dǎo)得出的,也即襯底耗盡區(qū)內(nèi)的電荷僅由柵極電壓產(chǎn)生的電場所感應(yīng)出.換言之,式(45)中的第三項與源極到漏極間的橫向電場無關(guān).但是隨著溝道長度的縮減,源極與漏極問的電場將會影響電荷散布、閾值電壓控制以及器件漏電等器件特性,

一、線性區(qū)中的閾值電壓

當(dāng)溝道的邊緣效應(yīng)變得不可疏忽時,隨著溝道的縮減,n溝道MOSFET的閾值電壓通常會變得不像原先那么正,而關(guān)于p溝道MOSFET而言,則不像原先那么負,圖6.23顯現(xiàn)了在VDS=o.05V時VT下跌的現(xiàn)象.閾值電壓F跌可用如圖6.24所示的電荷共享(chargesharing)模型來加以解釋,此圖為一個n溝道MOSFET的剖面圖,且器件工作在線性區(qū)(VDs≤o.1V),因而漏極結(jié)的耗盡區(qū)寬度簡直與源極結(jié)相同.由于溝道的耗盡區(qū)與源極和漏極的耗盡區(qū)堆疊,由柵極偏壓產(chǎn)生的電場所感應(yīng)生成的電荷可用這梯形區(qū)域來近似同等.


閾值電壓漂移量AVT是由于耗盡區(qū)由長方形LXWm變?yōu)樘菪?L+L‘) Wm/2,而使得電荷減少所形成的.△VT為(參考習(xí)題27):


其中NA為襯底的摻雜濃度.wm為耗盡區(qū)寬度,ri為結(jié)深度,L為溝道長度,而C。為每單位面積的柵極氧化層電容.

對長溝道器件而言,由于△(圖6.24)遠小于L,所以電荷減少量較小,但是關(guān)于短溝道器件而言,由于厶與L相仿,所以導(dǎo)通器件所需的電荷將大幅公開降,由式(47)可知,對給定一組已知的NA、Wm、ri以及Co,閾值電壓將隨溝道長度的縮減而下降.

二、漏場感應(yīng)勢壘降落

當(dāng)短溝道MOSFET的漏極電壓由線性區(qū)增至飽和區(qū)時,其閾值電壓下跌將更嚴(yán)重(如圖6.23所示).此效應(yīng)稱為舞場感應(yīng)勢壘降落.?dāng)?shù)個不同溝道長度的n溝道器件的源極與漏極間的外表電勢如圖6.25所示,點線為VDS=o,實線為VDS>o.當(dāng)柵極電壓小于VT時,p—型硅襯底在n+源極與漏極問構(gòu)成一勢壘,并限制電子流由源極流向漏極.對工作在飽和區(qū)的器件而言,漏極結(jié)的耗盡區(qū)寬度遠大于源極結(jié),在長溝道的例子中,增加漏極結(jié)耗盡區(qū)寬度并不會影響勢壘高度(參閱圖6.25中l(wèi)μm的例子).但當(dāng)溝道長度足夠短時,漏極電壓的增加將減小勢壘高度(圖6.25中o.3μm與o.5μm的例子),此歸因于漏極與源極太接近所形成的外表區(qū)的電場浸透,此勢牟降低效應(yīng)會招致電子由源極注入漏極,形成亞閾值電流的增加.因而在短溝道器件中,閡值電壓會隨漏極電壓增加而降低.



圖6.26描繪在高與低的漏極偏壓條件下,長與短溝道的n溝道MOSFET的亞閾值特性.隨著漏極電壓的增加,短溝道器件中亞閾值電流的平行位移[圖6.26(b)]顯現(xiàn)有顯著DIBI.效應(yīng)存在,



三、本體穿通

DIBL形成在Si02/Si的界面構(gòu)成漏電途徑,當(dāng)漏極電壓足夠大時,可能也會有顯著的漏電流由源極經(jīng)短溝道MOSFET的本體流至漏極,此也可歸因于漏極結(jié)耗盡區(qū)的寬度會隨著漏極電壓增加而擴張.在短溝道的MOSFET中,源極結(jié)與漏極結(jié)耗盡區(qū)寬度的總和與溝道長度相當(dāng).當(dāng)漏極電壓增加時,漏極結(jié)的耗盡區(qū)逐步與源極分離并,因而大量的漏極電流可能會由漏極經(jīng)本體流向源極。圖6.27為短溝道MOSFET(L=0.23μm)的亞閾值特性.當(dāng)漏極電壓由0.1V增加至IV時,DIBL所形成亞閾值特性的平行位移如圖6,26(b)所示;而當(dāng)漏極電壓再增加至4v時,其亞閾值擺幅將遠大于低漏極偏壓時的值,因而,器件將會有十分高的漏電流,這也顯現(xiàn)出本體穿通效應(yīng)相當(dāng)顯著,柵極不再可以將器件完整關(guān)閉,且無法控制漏極電流,高漏電流將限制短溝道MOSFET器件的工作



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