DIBL效应对小尺寸MOS晶体管阈值电压和亚阈值特性的影响.docx

DIBL效应对小尺寸MOS晶体管阈值电压
和亚阈值特性的影响

阈值电压定义为沟道源端的半导体表面开始强反型所需要的栅压。根据定义,它由以下三部分组成:(1)抵消功函数差和有效界面电荷的影响所需的栅压,即平带电压Vfb;(2)产生强反型所需的表面势,即2Φf;(3)强反型时栅下表面层电荷Qs在氧化层上产生的附加电压,通常近似为-Qb(2Φf)/Cox。对于MOSFET,阈值电压表示式为:
VT = Vfb + 2Φf - Qb(2Φf)/Cox
需要注意,对于NMOS,Φf = (KBT/q)ln(NA/Ni),相应的,Qb = -γCox,
γ=/Cox;对PMOS,Φf = -(KBT/q)ln(ND/Ni),Qb=γCox,
γp=/Cox。NA,ND是半导体衬底的掺杂浓度。
在MOS集成电路的设计和生产中,阈值电压的控制十分重要。大多数应用中需要的是增强型器件,这时对NMOS要求VT 〉0,对PMOS要求VT <0。上述要求对PMOS容易达到,对NMOS却很困难。原因是Vfb=Φms-Q0/Cox中的Q0总是正的,即-Q0/Cox总是负的,结果使P沟和N沟器件的Vfb一般都是负的。对PMOS而言,VT表示式中的另外两项也都是负的因此产生增强型没有困难;对NMOS而言,另外两项之和必须大于Vfb,从而要求衬底掺杂浓度较高,这会导致大的衬底电容和低的击穿电压,是十分不理想的。
我们可以通过离子浅注入的方法将杂质注入到沟道表面的薄层内,其作用相当于有效界面电荷,所以阈值电压的改变可以从下面公式估算:
ΔVT = ±qNI / Cox
NI是注入剂量(离子个数/cm²)。注入杂质为P型时,上式取正号;注入杂质为N型时,上式取负号。
Qb表示式中γ=/Cox反映衬底偏压对阈值电压影响的强弱程度,故称衬偏系数。对于P沟器件,衬底偏压引起的阈值电压改变为
ΔVT=-γp[-]
γp=/Cox是P沟器件(N型衬底)的衬偏系数。
氧化层厚度对阈值电压也有影响。氧化层厚度增加时,栅压对半导体表面的控制作用减弱,为了使表面形成导电沟道,需要加更大的栅压,即阈值电压增加。这一点对制作场区十分重要。

栅偏压低于阈值以至沟道表面是弱反型时,MOSFET仍有很小的电流,这就是亚阈值电流,器件的工作状态也被说成是亚阈值区。亚阈值区是描述MOSFET
如何导通和截止的,所以在器件的开关或数字电路应用中亚阈值区特性是十分重要的。
在亚阈值区,对漏级电流起决定作用的是扩散而不是漂移。实际上,MOSFET在弱反型时和双极晶体管有十分相似之处,其中沟道区起基区作用,n+源区和n+漏区分别起发射区和集电区的作用,外加“集电极-发射极”电压(漏电压VDS)主要降落在反偏结(即漏-衬底结)上。所以亚阈值电流可以象在均匀基区的双极晶体管中求注入基区的少数载流子(电子)电流那样得到,
Jn=-qDn
其中ys和yd分别为源结和漏结的水平耗尽区宽度;L-ys-yd为有效沟道长度;n(ys)和n(yd)分别为有效沟道源端和漏端的电子浓度,
β=q/KBT,ND是n+区的掺杂浓度。V是沟道源端相对源接触(y=0)的表面势,亦即源结(n+-p结)水平耗尽区上的电压为-