【正文】 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 67 遷移率的退化（續(xù)） 2） 遷移率 ?的退化與電場(chǎng)強(qiáng)度 通常 ， 電場(chǎng)強(qiáng)度 E增加時(shí) ， ?是減小的 。 然而 ， 電場(chǎng) E有水平分量和垂直分量 ， 因而 ?將隨 Ev， Eh而退化 。 通常 ， ?可以表示為 ， ? = ?0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd) 其中 ， ?0(T)是溫度的函數(shù) ， ?0(T) = kT ?M 于是 ， 在半導(dǎo)體 Si內(nèi) ， M=， 這是 Spice中所用的參數(shù) 。 但在反型層內(nèi) （ NMOS管 ） ， M=2， 所以 ， 一般認(rèn)為 ， M值是處在 ?2之間 。?0的典型值為 ， N溝道 MOS管 ， ?0=600cm2/V?S； P溝道 MOS管 ，?0=250cm2/V?S。 式中 fv是垂直電場(chǎng)的退化函數(shù)； fh是水平電場(chǎng)的退化函數(shù) 。 ? ?? ?MTTTT ??????????121020??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 68 遷移率的退化（續(xù)） 通常 ， fv采用如下公式 ， 式中 ， Vc是臨界電壓 ， Vc =?ctox， ?c是臨界電場(chǎng) ， ?c=2?105 V/cm 。 垂直 ?值退化大約為 25%?50%。 水平電場(chǎng)對(duì) ?的影響 ， 比垂直電場(chǎng)大得多 。 因?yàn)樗诫妶?chǎng)將加速載流子運(yùn)動(dòng) 。 當(dāng)載流子速度被加速到一個(gè)大的數(shù)值 ， 水平速度會(huì)飽和 。 一般來(lái)講 ， N型 Si的 ?0遠(yuǎn)大于 P型 Si的 ?0。 然而 ， 這兩種載流子的飽和速度是相同的 。 對(duì)于一個(gè)高性能器件來(lái)說(shuō) ， 載流子是以最高速度 ， 即飽和速度通過(guò)溝道的 。 這時(shí) ， P溝道管子的性能與 N溝道管子差不多相等 。 這并不是 P型器件得到改進(jìn) ， 而是 N型器件有所退化 。 ? ???????cvvvccvv VVVVVVf對(duì)對(duì) /1 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 69 遷移率的退化（續(xù)） 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究 ， 已經(jīng)確定 ， 在電場(chǎng)不強(qiáng)時(shí) ， N溝道的 ?確實(shí)比 P溝道的 ?大得多 ， 約 。 但當(dāng)電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí) ， 這個(gè)差距就縮小 ， 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度 ， N管與P管達(dá)到同一飽和速度 ， 得到同一個(gè) ?值 。 它與摻雜幾乎無(wú)關(guān) 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 70 溝道長(zhǎng)度調(diào)制 簡(jiǎn)化的 MOS原理中 ， 認(rèn)為飽和后 ， 電流不再增加 。 事實(shí)上 ， 飽和區(qū)中 ， 當(dāng) Vds增加時(shí) ， Ids仍然增加的 。 這是因?yàn)闇系纼啥说暮谋M區(qū)的寬度增加了 ， 而反型層上的飽和電壓不變 ， 溝道距離減小了 ， 于是溝道中水平電場(chǎng)增強(qiáng)了 ， 增加了電流 。 故器件的有效溝道長(zhǎng)度為 ， L39。 = L?? 式中 ?是漏極區(qū)的耗盡區(qū)的 寬度 ， 如右圖所示 ， 且有 其中 Vds?VDsat?是耗盡區(qū)上的電壓 。 如果襯底摻雜高 ， 那么這種調(diào)制效應(yīng)就減小了 。 ?????? ???? D s a tdsSi VVqN?2圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 71 短溝道效應(yīng)引起門限電壓變化 迄今 ， 我們對(duì) MOS管的分析全是一維的 。 無(wú)論是垂直方向 ， 還是水平方向 ， 都是一維計(jì)算的 。 我們隱含地假定 ， 所有的電場(chǎng)效應(yīng)都是正交的 。 然而 ， 這種假定在溝道區(qū)的邊沿上是不成立的 。 因?yàn)闇系篮芏?， 很窄 ， 邊沿效應(yīng)對(duì)器件特性有重大影響 。 （ 最重要的短溝道效應(yīng)是 VT的減小 。 ） 加在柵極上的正電壓首先是用來(lái)趕走 P型襯底中的多數(shù)載流子 ——空穴 ， 使柵極下面的區(qū)域形成耗盡層 ，從而降低了 Si表面的電位 。 當(dāng)這個(gè)電位低到 P型襯底的費(fèi)米能級(jí)時(shí) ， 半導(dǎo)體出現(xiàn)中性 。 這時(shí) ， 電子濃度和空穴濃度相等 。 若再增加?xùn)艠O電壓 ， 就形成反型層 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 72 短溝道效應(yīng)引起門限電壓變化 (續(xù) ) ? 柵極感應(yīng)所生成的耗盡區(qū) ， 與源 、 漏耗盡區(qū)是連接在一起的 。顯然 ， 有部分區(qū)域是重疊的 。 那里的耗盡區(qū)是由柵極感應(yīng)與擴(kuò)散平衡共同形成的 。 差不多一半由感應(yīng)產(chǎn)生 ， 另一半由擴(kuò)散形成 。 這樣 ， 柵極電壓只要稍加一點(diǎn) ， 就可以在柵極下面形成耗盡區(qū) ， 如下圖所示 。 QB39。 = QB?QL 故門限電壓 VT必然降低 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 73 短溝道效應(yīng)引起門限電壓變化 (續(xù) ) ? 對(duì)于長(zhǎng)溝道 MOS管 ， 影響不大 。 但是當(dāng)溝道長(zhǎng)度L5?后 ， VT降低是極其明顯的 ， 如圖所示 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 74 狹溝道引起的門限電壓 VT的變化 ? 如果溝道太窄 ， 即 W太小 ， 那么柵極的邊緣電場(chǎng)會(huì)引起 Si襯底中的電離化 ， 產(chǎn)生了附加的耗盡區(qū) ， 因而 ，增加了門限電壓 ， 如圖所示 。 ? 由此可見(jiàn) ， 這些短溝道 、 狹溝道效應(yīng) ， 對(duì)于工藝控制是比較敏感的 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 75 第二柵現(xiàn)象 ? 在分析短溝道 、 狹溝道對(duì)門限電壓的影響時(shí) ， 是假定了源極 、 漏極同電位的 。 如果這兩個(gè)電位不相同 ， 結(jié)果就變得很復(fù)雜 。 ? 如圖 ， 假定 VdsVgs ， 漏極發(fā)出的電力線就會(huì)落到溝道與 SiO2的界面上 ， 改變了 Si表面的電位分布 。 這時(shí) ， 漏極象一個(gè)不希望的第二柵極 ， 調(diào)制了柵極下面的電荷量 ，使門限電壓發(fā)生變化 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 76 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） 有人證明，考慮第二柵效應(yīng)的門限電壓為 VT39。 = VT ? ?Vds 式中 ?是靜態(tài)反饋系數(shù)，且有 式中 Xpmax是溝道下面的耗盡層深度。 ? 這種由漏極感應(yīng)使電位勢(shì)壘降低，從而減小門限電壓的效應(yīng)，對(duì)于短溝道器件，在門限值附近是很嚴(yán)重的。 ???????? ??m a xm a x 4ex p6ppoxXLXt ??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 77 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） ? 如果 Vds足夠的高 ， Vgs足夠的低 ， 第二柵效應(yīng)還會(huì)影響穿透 。 穿透是指 ， 在漏源之間 ， 不受柵極控制的 、 一種局部表面電流 ， 是一種漏電流 。 ? 柵極電位可以使 Si表面形成反型層 ， 同樣的機(jī)理 ， 漏極電壓降低了溝道下面的電位勢(shì)壘 ， 只要當(dāng)這個(gè)勢(shì)壘足夠低 ， 電流就會(huì)流過(guò)這條通路 。 這是一種從背面來(lái)形成反型層的溝道 ， 使得器件對(duì)穿透更為敏感 。 顯然 ， 這個(gè)范疇基本上是屬于兩維的 ， 很難獲得穿透電壓 VPT的計(jì)算公式 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 78 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） ? 當(dāng)柵極電壓較低時(shí)，穿透更嚴(yán)重。器件的溝道越短，穿透越嚴(yán)重。通常，穿透電壓是溝道長(zhǎng)度的線性函數(shù)，如圖所示。 ? 穿透電壓 VPT的測(cè)量 ， 是以漏電流 1?A為準(zhǔn) ， 柵極電壓為 0。 為了區(qū)分是短溝道原因 ， 還是狹溝道原因 ， W取100。 可見(jiàn) ， 溝道越短 ， 穿透電壓越低 ， 器件漏電越嚴(yán)重 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 79 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） ?在 MOS器件中 ， 為了克服這種缺點(diǎn) ， 采取以下辦法： ?L不要取太短 。 ?減小 SiO2層厚度 ， 因?yàn)?tox減小后 ， 加強(qiáng)了電容性耦合 ， 使得 Si表面電位接近于柵極 。 那么 ，這種由于 Vds引起的第二柵效應(yīng) ， 從背面形成反型層的可能性就會(huì)降低 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 80 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） ? 由于 SiO2厚度已經(jīng)減小，但源、漏極的 PN結(jié)還較深，這時(shí)，可能會(huì)發(fā)生第二類穿透現(xiàn)象。 漏極發(fā)出的電力線，直接通到源極，如下圖所示。象雙極型器件一樣，發(fā)生穿透電壓?jiǎn)栴}。如果把以上兩種穿透效應(yīng)結(jié)合在一起，可以相信，穿透電壓將正比于 L2。 它成為限制器件尺寸縮小的一個(gè)重要因素。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 81 電離化 ? 另一個(gè)漏電流的來(lái)源是碰撞電離 ， 如圖所示 。 ? 對(duì)于 4?以上的器件 ， 電源電壓往往用 12V， 如果 Vds達(dá)到20V， PN結(jié)就會(huì)雪崩擊穿 。 但對(duì)于 4?以下的 MOS器件 ， 5V電源一般不發(fā)生雪崩擊穿 。 但是當(dāng)電子流通過(guò)器件溝道時(shí) ，存在著微弱的電離碰撞 。 由于 Scalingdown的原因 ， 溝道中的電場(chǎng)增強(qiáng)了 ， 在這種強(qiáng)電場(chǎng)作用下 ， 碰撞電離使電子 —空穴對(duì)增殖 ， 且其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常溝道中的電子能量 . 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 82 電離化（續(xù)） ? 這些新產(chǎn)生的空穴流入襯底。如果襯底加上負(fù)向偏壓VBB， 那么它將對(duì)襯底偏壓電流增加一個(gè)小負(fù)載。 ? 這些新產(chǎn)生的電子，其中一部分能量較大者流入到 SiO2層，它引起一種柵極電流；或者被 SiO2層俘獲，成為固定電荷，改變門限電壓 VT， 造成一種可靠性問(wèn)題。 ? 隨著時(shí)間的推移 ， 熱電子的陷入 ， 將越積越多 ， VT將不斷增加 ， 開關(guān)特性就不斷退化 ， 電路逐步變質(zhì) ， 造成了可靠性問(wèn)題 。 ? 對(duì)上述二階效應(yīng)的研究一方面用來(lái)指導(dǎo)工藝的改進(jìn) ， 另一方面用來(lái)指導(dǎo)器件模型的修正 。 對(duì)電路設(shè)計(jì)工程師來(lái)講 ， 了解二階效應(yīng)對(duì)于電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化是非常有用的 。