2022-2023学年高二物理竞赛课件：击穿电压

击穿电压 击穿电压 准隧穿效应 隧穿是指这样的情形，漏－衬底空间电荷区完全经过沟道区延展到源－衬底空间电荷区。此时，源、漏之间的势垒完全消失，可能存在较大的漏电流。 5.5.2 轻掺杂漏晶体管 结击穿电压是最大电场强度的函数。随着沟道长度的变小，偏置电压可能不会相应地按比例缩小，因此结电场会变大。当电场变大时，近雪崩击穿和近隧穿效应会变得更加严重。此外，器件的几何图形按比例缩小后，寄生双极器件的影响更大，从而使击穿效应增强。 5.5.2 轻掺杂漏晶体管 一种抑制击穿效应的方法是改变漏极的掺杂剖面。轻掺杂漏（LDD）设计及其掺杂剖面示于图a中，传统的MOSFET及其掺杂剖面示于图b作为对比。通过引入轻掺杂漏，空间电荷区中电场的峰值减小了，击穿效应被降到最小。漏极的电场峰值是半导体掺杂浓度和n＋漏区弯曲程度的函数。 图12.27 5.5.3 通过离子注入进行阈值调整 有许多的因素，诸如固定氧化层电荷、金属－半导体功函数差、栅氧化层厚度以及半导体掺杂浓度都可以影响阈值电压。尽管对各种不同的应用来说所得的阈值电压不一定满足条件，所有的这些参数都可以在特定的设计和工艺中被确定下来。可以通过离子注入来调整氧化层－半导体表面附近的衬底掺杂浓度，从而得到满意的阈值电压。另外，离子注入不仅可以用来掺杂沟道区，它还被广泛地应用于器件的制造过程中，是一种标准的工艺；例如，它可以被用于形成晶体管的源区和漏区。 改变掺杂浓度从而改变阈值电压，准确地说就是控制注入到氧化层表面附近的半导体中的施主或受主的数目。当MOS器件偏置在耗尽模式或反型模式且注入掺杂原子位于空间电荷区中时，离化的掺杂电荷添加到最大空间电荷密度中，这样就控制了阈值电压。将受主注入到p或n型衬底中会使得阈值电压变得更正，而注入施主将使得阈值电压变得更负 5.5 辐射和热电子发射 氧化层电荷和界面态的另一个来源是热电子效应。工作在雪崩击穿附近的MOSFET漏极附近的电子可能有比热平衡时大得多的能量值。这些热电子有足够的能量以穿透氧化层－半导体壁垒。 5.5.1 辐射引入的氧化层电荷 半导体或氧化层材料上偶尔遇到的Gamma射线或x射线，可以使价带中的电子发生相互作用。偶遇的辐射光子可以给价带电子足够的能量，从而将电子拉至导带；同时一个空态或空穴在价带产生。这个过程产生了电子－空穴对。产生的新的电子和空穴可以在电场的作用下在半导体材料中移动。 5.5.1 辐射引入的氧化层电荷 下图所示为p型衬底正栅压的MOS器件能带图。二氧化硅的禁带宽度大约为9eV。此图形象地说明了在氧化层中由于离化辐射引起的电子－空穴对。辐射引入的电子被推向栅极，辐射引入的空穴被推向衬底。现在已经发现氧化层中产生的电子有着很大的迁移率，其值大约在20 cm2/V-s数量级左右。当高场强时，氧化层中的电子速度也会在107cm/s时饱和，在典型的栅氧化层厚度下，电子的迁移时间的数量级为1ps。当正栅压时，大量的辐射引入电子从栅极流出；因此，通常这些电子对MOS器件的辐射响应并不起主要作用。 图12.30 5.5.1 辐射引入的氧化层电荷 当空穴到达硅－二氧化硅界面时，其中的一部分被陷阱俘获，另一部分流入硅中。由于这些被俘获的空穴，辐射引入的净正电荷位于氧化层的陷阱内。这些被俘获的电荷很长时间地存在陷阱中，可以长达数月或数年之久。正如我们所看到的，正氧化层电荷会引起阈值电压向负方向偏移。 空穴陷阱密度在1012到1013cm－2范围内，依赖于氧化层和器件的工艺。通常，这些陷阱存在于Si-SiO2界面附近大约50A的区域。空穴陷阱通常和硅缺陷有关，这些硅缺陷在SiO2结构中存在氧空位。氧空位存在于Si-SiO2界面附近的“多硅”区域。 由于阈值电压或平带电压的偏移是陷阱电荷数量的函数，电压偏移是氧化层所加电压的函数。 5.5.2 辐射引入的界面态 我们已经讨论了界面态对MOS电容器C－V特性以及对MOSFET特性的影响。n沟MOS器件界面态中的净电荷在达到阈值反型点时是负的。这些负电荷会使阈值电压向正的方向偏移，这同由于正氧化层电荷导致的偏移方向相反。另外，由于界面态可以被充电，会和反型电荷有一定的库仑作用，这意味着反型载流子迁移率是界面态密度的函数。因此，界面态对阈值电压和载流子迁移率都有影响。 当MOS器件被离化辐射后，在Si-SiO2界面处产生附加的界面态。辐射引入的界面态在禁带的下半部分表现为施主态，在上半部分表现为受主态。 5.5.2 辐射引入的界面态 我们讨论亚阈值电导时曾经讲过，ID和VGS函数曲线中在亚阈值区处的斜率是界面态密度的函数。下图为不同总的离化剂量下的亚阈值电流。图中斜率的变化说明了界面态密度随总剂量而增大。 12.33 $