概念深入PPT学习教案.pptx

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1、会计学1概念概念(ginin)深入深入第一页，共47页。12.1 非理想(lxing)效应 亚阈值电流:比较施加小的漏电压时，n沟道(u do)MOSFET沟道(u do)表面势示意图堆积状态：势垒很高堆积状态：势垒很高电子无法电子无法(wf)跃过跃过无法无法(wf)形成表面电流形成表面电流弱反型状态弱反型状态：势垒较低电子有一定的几率越过势垒形成亚阈值电流强反型状态强反型状态：势垒极低大量电子越过势垒形成沟道电流2第1页/共47页第二页，共47页。12.1 非理想效应(xioyng)亚阈值电流:电压特性 IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面(jimin)态密度的函数。可通过对曲

2、线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面(jimin)态密度。3第2页/共47页第三页，共47页。12.1 非理想效应 沟道(u do)长度调制效应:机理4第3页/共47页第四页，共47页。12.1 非理想效应(xioyng)沟道长度调制效应(xioyng):模型1视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展(kuzhn)5第4页/共47页第五页，共47页。12.1 非理想效应沟道(u do)长度调制效应:模型26第5页/共47页第六页，共47页。12.1 非理想效应 沟道长度(chngd)调制效应:影响因素ID的实测值高于理论值在饱和区，实测ID随VDS增加(zngji)而缓慢增加(zngji)7第6页

3、/共47页第七页，共47页。12.1 非理想(lxing)效应 迁移率变化:纵向电场的影响(1)表面(biomin)散射8第7页/共47页第八页，共47页。12.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场(din chng)的影响(2)体迁移率(典型值600cm2/Vs,NMOS）表面(biomin)迁移率典型值0.03随VGS-VTn而变缓 有效(yuxio)迁移率：有效迁移率经验表达式：9第8页/共47页第九页，共47页。12.1 非理想效应 迁移率变化(binhu):漂移速度与电场的关系峰值电场(din chng)强度峰值(fn zh)漂移速度饱和漂移速度10第9页/共47页第十页，共47页。

4、12.1 非理想(lxing)效应 迁移率变化:Si的情形（104V/cm)低场：迁移率不随E而变高场：迁移率随E增加(zngji)而下降强场：迁移率与E成反比11第10页/共47页第十一页，共47页。12.1 非理想(lxing)效应 迁移率变化:GaAs、InP的情形（104V/cm)与Si相比，GaAs、InP的特点：存在漂移速度峰值迁移率大存在负微分(wi fn)迁移率区饱和漂移速度小12第11页/共47页第十二页，共47页。12.1 非理想效应(xioyng)迁移率变化:速度饱和效应(xioyng)漏源电流(dinli)下降 提前(tqin)饱和 饱和漏源电流与栅压成线性关系 饱和区

5、跨导与偏压及沟道长度无关 截止频率与栅压无关 13第12页/共47页第十三页，共47页。12.1 非理想效应(xioyng)弹道输运n n非弹道输运非弹道输运MOSFETMOSFETn n沟道长度沟道长度L0.1mL0.1m，大于散射平均自由程；，大于散射平均自由程；n n载流子从源到漏运动需经过多次散射；载流子从源到漏运动需经过多次散射；n n载流子运动速度用平均漂移速度表征；载流子运动速度用平均漂移速度表征；n n弹道输运弹道输运MOSFETMOSFETn n沟道长度沟道长度L0.1mL0VBS024第23页/共47页第二十四页，共47页。12.3 阈值电压修正(xizhng)VT随W的变

6、化:表面电荷 窄沟道效应25第24页/共47页第二十五页，共47页。若沟道宽度W窄到与表面(biomin)空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加12.3 阈值电压修正 VT随W的变化(binhu):VT的计算26第25页/共47页第二十六页，共47页。12.3 阈值电压修正 VT随W的变化(binhu):关系曲线27第26页/共47页第二十七页，共47页。12.3 阈值电压修正(xizhng)离子注入调整VT:原理n np p型半导体表面注入受主杂质型半导体表面注入受主杂质NaNa（如（如B B）半导体表面净掺半导体表面净掺杂浓度杂浓度(nngd)(

7、nngd)表面更难以反型表面更难以反型VTVT受主注入剂量（单位面积(min j)注入的离子数）注入前的阈值电压p型半导体表面注入施主杂质Nd（如P）半导体表面净掺杂浓度表面更容易反型VT施主注入剂量（单位面积注入的离子数）注入前的阈值电压28第27页/共47页第二十八页，共47页。12.3 阈值电压修正 离子注入(zh r)调整VT:注入(zh r)杂质分布1 1、DeltaDelta函数函数(hnsh)(hnsh)型分型分布布 2、阶跃函数(hnsh)型分布 3、高斯函数型分布：更接近实际情况，分析较复杂。平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度反型时，xd

8、TxI,VT由DI决定；29第28页/共47页第二十九页，共47页。12.4 击穿(j chun)特性 MOSFET主要击穿(j chun)机构。漏源击穿漏源击穿(j chun)BVDS(j chun)BVDS：漏：漏pnpn结击穿结击穿(j chun)(j chun)，与，与VDSVDS、VGSVGS均有关均有关栅源击穿(j chun)BVGS：栅氧化层击穿(j chun)，只与VGS有关30第29页/共47页第三十页，共47页。12.4 击穿(j chun)特性 栅-源介质击穿(j chun)n n击穿现象击穿现象击穿现象击穿现象(xinxing)(xinxing)n nVGSVGSBVG

9、SBVGS氧化层电场强度氧化层电场强度氧化层电场强度氧化层电场强度EoxEox临界电场强度临界电场强度临界电场强度临界电场强度EBEB(0.51)x107V/cm(0.51)x107V/cm时，氧化层发生介电击穿时，氧化层发生介电击穿时，氧化层发生介电击穿时，氧化层发生介电击穿n n当氧化层厚度当氧化层厚度当氧化层厚度当氧化层厚度50nm50nm时，时，时，时，BVGS=30VBVGS=30V，若，若，若，若EBEB6x106V/cm6x106V/cm，则，则，则，则要求工作电压要求工作电压要求工作电压要求工作电压VGS10VVGS10V（安全余量为（安全余量为（安全余量为（安全余量为3 3）

10、n n击穿过程击穿过程击穿过程击穿过程n n针孔针孔针孔针孔凹坑凹坑凹坑凹坑空洞空洞空洞空洞崩塌崩塌崩塌崩塌n n电流电流电流电流II温度温度温度温度TT电流电流电流电流II，形成热电正反馈，形成热电正反馈，形成热电正反馈，形成热电正反馈n n击穿场强的来源击穿场强的来源击穿场强的来源击穿场强的来源n n栅压栅压栅压栅压VGSVGS：EoxVGS/toxEoxVGS/toxn n栅感应电荷栅感应电荷栅感应电荷栅感应电荷QIQI：EoxQI/toxCoxEoxQI/toxCox31第30页/共47页第三十一页，共47页。12.4 击穿(j chun)特性 漏pn结击穿(j chun)32第31页

11、/共47页第三十二页，共47页。12.4 击穿特性(txng)沟道雪崩倍增效应发自S端的载流子（形成电流IS）受沟道电场的加速在D端附近发生(fshng)雪崩倍增，产生的电子被漏极收集（加入ID），产生的空穴注入衬底（产生Isub）雪崩倍增雪崩倍增(bi zn)形成条件：形成条件：短沟道：短沟道：L越短，沟越短，沟道电场越强道电场越强 n沟道：空穴的碰撞沟道：空穴的碰撞电离率小于电子，产电离率小于电子，产生雪崩倍增生雪崩倍增(bi zn)的临界电场强的临界电场强度大于电子度大于电子33第32页/共47页第三十三页，共47页。12.4 击穿特性 寄生(jshng)晶体管效应34第33页/共47页

12、第三十四页，共47页。12.4 击穿特性(txng)源漏穿通效应空间电荷区交接，势垒消失了，漏电流(dinli)增大35第34页/共47页第三十五页，共47页。n n短沟道器件穿通(chun tn)特性曲线12.4 击穿(j chun)特性 源漏穿通效应36第35页/共47页第三十六页，共47页。12.4 击穿特性(txng)轻掺杂漏(LDD)晶体管传统(chuntng)结构LDD结构(jigu)漏区掺杂浓度较高且分布梯度较陡漏区掺杂浓度较低且分布梯度较缓降低了电场峰值及分布梯度37第36页/共47页第三十七页，共47页。DMOS(双扩散MOSFET)埋沟MOSFETSOI结构(jigu)(绝

13、缘体上硅)将器件制作在绝缘膜或绝缘衬底上形成的单晶硅上。12.4 击穿(j chun)特性38第37页/共47页第三十八页，共47页。12.5 可靠性效应(xioyng)MOSFET的辐射效应(xioyng)辐射辐射(fsh)产产生氧化层电荷生氧化层电荷辐射辐射(fsh)产生界面产生界面态态x射线、射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴辐射产生的电子在SiO2中很快移出栅极（迁移率20cm2/Vs）辐射产生的空穴通过SiO2的随机跃迁缓慢地向Si-SiO2界面移动（迁移率10-410-11cm2/Vs）到达Si-SiO2界面的空穴一部分注入Si中，另一部分被界

14、面附近的空穴陷阱所俘获，呈现正的空间电荷，使VT向负方向移动离化辐射打开Si-SiO2界面的饱和键，产生界面陷阱。在禁带下部为施主态，上部为受主态，可部分补偿辐射引入的正氧化层电荷对VT的影响39第38页/共47页第三十九页，共47页。12.5 可靠性效应 辐射产生(chnshng)氧化层电荷:特性1正栅压下，辐射引入的空穴(kn xu)向硅一侧移动，且栅压VG中途未被复合而最终到达Si-SiO2界面附近且被陷阱俘获的空穴(kn xu)数引入的附加正电荷量平带电压漂移量|Vfb|当Si-SiO2界面附近的空穴陷阱全被占据时，平带电压漂移(pio y)量趋于饱和负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧

15、移动引入附加正电荷的作用较弱，且基本不随VG的变化而变化40第39页/共47页第四十页，共47页。12.5 可靠性效应(xioyng)辐射产生氧化层电荷:特性2离化辐射剂量离化辐射剂量rad(Si)p沟道MOSFET：导通电压为负栅压，故辐射产生氧化(ynghu)层电荷的效果弱n沟道MOSFET：导通电压为正栅压，故辐射(fsh)产生氧化层电荷的效果强辐射剂量很高时，辐射引入的界面态产生，阈值电压变化反转。41第40页/共47页第四十一页，共47页。12.5 可靠性效应 辐射产生(chnshng)界面态:特性1亚亚阈阈值值电电流流（A）在亚阈区，ID-VGS曲线的斜率是界面(jimin)态密度

16、的函数辐射总剂量越大，则引入的界面(jimin)态密度越大不同总离化辐射剂量下的亚阈值电流与栅压的函数关系不同总离化辐射剂量下的亚阈值电流与栅压的函数关系42第41页/共47页第四十二页，共47页。12.5 可靠性效应 辐射产生(chnshng)界面态:特性2界面态的生成还会受氧化(ynghu)层电场的影响。离化辐照(f zho)后，界面态密度逐渐上升，并在1001000s后才能达到其稳定值43第42页/共47页第四十三页，共47页。12.5 可靠性效应(xioyng)热电子效应(xioyng)在漏区附近的沟道中因雪崩(xubng)倍增产生的高能电子，有可能受正栅压所产生的纵向电场作用，越过S

17、i-SiO2界面势垒，进入SiO2层中，此电子的能量比热平衡是要高很多，因此称为热电子。产生栅电流（pAfA量级）。产生负的充电效应，引入负氧化层电荷，使VT正向漂移。热电子能量较大会产生附加(fji)的界面态，使迁移率及跨导下降。作用：44第43页/共47页第四十四页，共47页。12.6 小结(xioji)1n nMOSFETMOSFET在弱反型区存在所谓在弱反型区存在所谓“亚阈值电流亚阈值电流”。该电流与栅源电压。该电流与栅源电压及漏源电压呈指数关系。及漏源电压呈指数关系。n nMOSFETMOSFET在饱和区的有效沟道长度在饱和区的有效沟道长度(chngd)(chngd)随漏源电压的增加

18、而随漏源电压的增加而增加，导致漏源电流略微增加，形成所谓增加，导致漏源电流略微增加，形成所谓“沟道长度沟道长度(chngd)(chngd)调制调制效应效应”。此效应在短沟道和低掺杂衬底中才显著。此效应在短沟道和低掺杂衬底中才显著。n n沟道迁移率随沟道横向电场和纵向电场的增加而下降。在强的横沟道迁移率随沟道横向电场和纵向电场的增加而下降。在强的横向电场下，载流子在沟道中的漂移速度将会达到饱和，此时漏源向电场下，载流子在沟道中的漂移速度将会达到饱和，此时漏源电流与栅源电压呈线性关系电流与栅源电压呈线性关系45第44页/共47页第四十五页，共47页。12.6 小结(xioji)2n n缩小缩小MO

19、SFETMOSFET尺寸可以提高集成度和工作尺寸可以提高集成度和工作(gngzu)(gngzu)速度。速度。器件尺寸与工作器件尺寸与工作(gngzu)(gngzu)电压按同样比例缩小较为理想，电压按同样比例缩小较为理想，但难以实现。但难以实现。n n在短沟道和窄沟道条件下，阈值电压会随沟道长度和沟道在短沟道和窄沟道条件下，阈值电压会随沟道长度和沟道宽度的变化而变化。在实际工艺中常采用离子注入来调整宽度的变化而变化。在实际工艺中常采用离子注入来调整阈值电压。阈值电压。n n栅源介质击穿和漏体栅源介质击穿和漏体pnpn结击穿是结击穿是MOSFETMOSFET主要击穿机构。主要击穿机构。短沟道器件可能会出现沟道雪崩倍增，引发寄生晶体管效短沟道器件可能会出现沟道雪崩倍增，引发寄生晶体管效应或热电子效应。应或热电子效应。n n离化辐照会引入氧化层电荷和界面态，导致阈值电压漂移离化辐照会引入氧化层电荷和界面态，导致阈值电压漂移和迁移率退化。和迁移率退化。46第45页/共47页第四十六页，共47页。END47第46页/共47页第四十七页，共47页。