MOSFET 小尺寸下的效应


还是继续 Analog IC Design 基础知识的总结,下面来谈谈 MOS 管在小尺寸下的效应,这里主要是小尺寸下的高电场(包括垂直和水平电场)引起的问题,包括迁移率退化,热载流子以及 DIBL 等问题。

关于垂直电场

随着 MOSFET 的栅氧化层厚度的减小,垂直电场越来越强,会减小沟道中载流子的有效迁移率

MOSFET小尺寸下的垂直电场作用

具体的理解可以考虑:垂直电场使沟道中载流子靠近表面,表面的缺陷会阻碍载流子由源到漏的移动,从而减小迁移率

关于水平电场

在高水平电场作用时,载流子速度不再正比于电场强度,而是会发生速度饱和。这样的处于饱和速度的载流子也称为热载流子。

载流子速度饱和

关于热载流子:

热载流子碰撞离化和雪崩过程产生的电子-空穴对,会导致漏到衬底的电流,如下图中所示.

热载流子引发衬底电流

这一电流会限制漏与地之间的最大阻抗,同时可能在衬底上引起压降,导致 latch-up 问题。

热载流子的另一效应是,这些电子可能获得足够的能量隧穿通过薄栅氧层,从而导致直流的栅电流,更重要的是,栅氧可能俘获这些电荷,从而使得晶体管的阈值电压发生改变。

此外,热载流子在获得足够能量时,可能会导致晶体管的源漏穿通。

短沟器件的另一个问题是,晶体管的输出阻抗会减小,这是由于漏端的耗尽区的变化(影响有效沟长)从而使漏电流增加;另外 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)作用,会使得阈值在漏端电压升高时减小,使得短沟器件的输出阻抗进一步减小

其他问题

多晶硅栅自身靠近栅氧部分的耗尽: 增大等效的栅氧厚度, 减小栅驱动

多晶硅栅耗尽

这一问题,亦会造成实际的 C-V 曲线的差异, 如下图所示:

栅耗尽引起的C-V曲线变化


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