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
1. MOS晶体管阈值电压
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2①f ; （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（2①f）/Cox。对于MOSFET 阈值电压表示式为：
V T = V fb + 2 ① f - Q b（2 ① f ）/C ox
需要注意，对于 NMOS① f = （KBT/q ） ln（N A/Ni），相应的，Cb = - 丫 3 2 f，
丫 = . 2 pqN a /Cox ；对 PMOS ① f = - (KBT/q ) ln(N D/Ni)， Cb= 丫 Cox . (-2 f)，
丫 p= .. 2 ；sqN d/Coxo Na，Nd是半导体衬底的掺杂浓度。
在MOSfc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 NMO要求VT > 0,对PMO要求V <0o 上述要求 对PMO容易达到，对NMOS卩很困难。原因是Mb二①msQ0/Cox中的C0总是正的， 即-Qo/C ox总是负的，结果使P沟和N沟器件的Vfb 一般都是负的。对PMO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 NMO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：
△ Vt = ± qN / C ox
N是注入剂量（离子个数/cm2） o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。
Q b表示式中丫 = •. 2sqNA/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
△ VT=- 丫 p[ J 2f +V bs -』2$ ]
丫 p= ... 2 tqN d/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。
2. MOS^体管亚阈值电流方程与亚阈值摆幅
栅偏压低于阈值以至沟道表面是弱反型时， MOSFE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，
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