MOS 管阈值电压与沟长和沟宽的关系


继续关于 Analog IC Design 基础知识的小结,这里总结一下对于晶体管阈值电压 Vth 随沟道长度 L 和宽度 W 的变化的讨论

关于 MOSFET 的 W 和 L 对其阈值电压 Vth 的影响,实际在考虑工艺相关因素后都是比较复杂,但是也可以有一些简化的分析,这里主要还是分析当晶体管处在窄沟道和短沟道情况下,MOSFET 耗尽区的电荷的变化,从而分析其对晶体管的阈值电压的作用。

Narrow channel 窄沟的分析

窄沟下阈值电压的分析  沟宽对阈值电压的影响

从左图可以看到,决定 MOSFET 阈值电压的耗尽层电荷,并不仅是在栅下区域的电荷 Qch;实际上在图中耗尽区左右与表面相接处,还需要有额外的电荷 Qchw。

在晶体管的沟宽 W 较大时,Qchw 这一额外的电荷可以忽略;而当沟宽 W 较小时,Qchw 不能再忽略,使得等效的耗尽层电荷密度增加,MOS 管的阈值电压升高,即如上面右图所示.

实际上,窄沟导致的阈值电压的变化也可以理解为在沟宽 W 方向的边缘电场的电力线出现在沟道以外,因此需要更多的栅电压来维持沟道开启。因此窄沟的效应实际上与具体的集成电路工艺,例如器件采用的隔离方式和隔离区域的掺杂浓度等关系很大。

对于 STI (shallow trench isolation) 隔离方式的 MOSFET, 由于 STI wall 的作用,沟宽 W 方向的边缘电场的电力线实际上是在沟道方向集中,因此会出现所谓的 inverse narrow-width effect,也即是随着沟宽 W 的减小,阈值电压随之减小。

Short channel 短沟的分析

短沟下阈值电压的分析 沟长对阈值电压的影响

如上面左图所示, 晶体管中耗尽层电荷包括从源到漏的所有电荷。 但是, 实际上在靠近源和漏端的部分电荷  Qchl , 不再直接受控于栅, 而是由源和漏来控制. 因此 Qchl 是不应该包含在阈值电压的计算中的.

类似之前的分析, 当沟长 L 较小时, 需要考虑 Qchl 影响, 使等效的耗尽层电荷密度减小, MOS 管的阈值电压减小,即如上面右图所示。

在具体工艺中, 由于存在沟道的非均匀掺杂等现象,实际上会使得有 reverse short-channel effect 的出现,即随着 MOSFET 的沟长 L 的减小,阈值电压会先小幅升高,之后 L 进一步减小时,阈值电压下降,并且此时的阈值电压对沟长的变化更为敏感。


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