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"（儿）_〃（九）
L-ys-yd
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，
腻兀｝=為
心2用加％|
B=q/KBT，ND是n+区的掺杂浓度。Vo是沟道源端相对源接触（y=0）的表
s
面势，亦即源结（n+-p结）水平耗尽区上的电压为-Vo。Vo和常规意义下（相
ss
对衬底内部而言）的表面势Vs之间的关系显然为Vs=Vo+Vbi，其中Vbi是n+-ps
结的内建电压。从漏端进入的方向为漏极电流方向，故亚阈值电流可表示为
ID
L-ys-yd
Z6qDnNdePvs[1一e-Pvds]
在上式中，6是有效沟道厚度，定义为表面垂直方向（x方向）上电势减小
KbT/q的距离。设6上的电场强度是常数且等于表面电场£s,则有
6•£s=KBT/q=1/B
而
es=-dVs/dx=qNA/CD
CD三-dQb/dVs是表面耗尽层电容，利用Qb二-J2esqNaWs，得到
_,£sqNa
CD=茁
由于6可表示为CD（Vs）/BqNA，亚阈值理想因子n=l+CD/Cox,
V0=—Vbi+2①f+Vgt/n
s
将以上式子整理，最终可将亚阈值电流表示为
j_比卩丿欝m飢q_眦）
L—凡
其中
①t=KBT/q
由于栅压引起的纵向电场£t强烈影响表面势分布，ys和yd分别小于源结和漏结的垂直耗尽区宽度Ws和Wd。对于长沟器件，L»ys+yd，可以把阈值电流方程分母中的ys和yd略去，这时由该式可看到，VDs>3KbT/q时亚阈值电流与VDS无关。
亚阈值电流与Vgt成指数关系，在强反型区工作ID与Vgs是平方律关系；Id方程中的负指数项在Vds大于4VT（100mV）时可以忽略，Id与Vds无关。这个结论只对长沟器件有效；Id与叽的平方成比例，即亚阈值电流与温度有强烈的依赖关系。
为了表征亚阈值电流随栅压的变化，引进参数S：
'桃耳）'叽由打》M岭'於g厶）衍岭
Cd
C
ox
S为亚阈值斜率，它表示Id改变一个数量级所需要的栅压摆幅。S越小，器件导通和截止之间的转换就越容易，说明亚阈值特性越好。对于长沟道MOSFET,在表示亚阈值电流的公式中忽略ys和yd的作用，可得
KT
S=_B_(lnlO)[l+
q
由Cd=*葺jY可知，衬