2022-2023学年高二物理竞赛课件：阈值电压――第一近似

阈值电压――第一近似 阈值电压――第一近似 在恒定电场按比例缩小中，器件的电压按照比例因子k减小。那么阈值电压看起来也应该按照同样的比例因子减小。对于均匀掺杂的衬底，阈值电压可以写为： 前两项分别为器件材料参数的函数，不按比例缩小，只是很小程度地依赖于掺杂浓度。最后一项近似正比于，所以阈值电压不直接按照比例因子k变化。 5.3 阈电压的修正 当器件尺寸缩小时，一些附加效应会对阈值电压产生影响。沟道长度的减小会增大MOSFET的跨导以及频率响应，沟道宽度的减小会增大集成电路的集成度。沟道长度和沟道宽度同时减小或其一减小都将影响阈值电压。 5.3.1 短沟道效应 对理想MOSFET，我们利用电荷中和的概念推导出阈值电压，电荷中和是指金属氧化物反型层和半导体空间电荷区中的电荷总和为零。我们还将假设栅面积与半导体有效面积相同。使用这个假设，我们仅考虑等价表面电荷密度，忽略由于源漏空间电荷进入有效沟道区而造成的任何影响阈值电压的因素。 5.3.1 短沟道效应 随着漏极电压的增大，n沟MOSFET的阈值电压减小。阈值电压与沟道长度的关系图如下图，此图分别绘出了两个漏源电压和两个体源电压时的曲线。 图12.17 5.3.2 窄沟道效应 如图所示为处于反型的n沟MOSFET沿沟道宽度方向上的剖面图。电流垂直于沟道宽度通过反型层电荷。从图中可以看到，在沟道宽度的两侧存在一个附加的空间电荷区。这些附加的电荷受栅压控制，但是并没有出现在理想阈值电压关系的推导中。因此，阈值电压的表达式必须进行修正，使之含有附加电荷。 5.3.2 窄沟道效应 阈值电压与沟道宽度的函数关系图（实线是理论值；点为实验值） 图12.19 5.4 附加电学特性 在关于半导体物理和器件的介绍性书籍中，有关MOSFET的大量知识都没有包含进去。然而，这里将涉及两个附加的内容：即击穿电压和通过离子注入调节阈值电压。 5.5.1 击穿电压 栅氧化层击穿：假设氧化层是理想绝缘体。如果氧化层中的电场变得足够大，击穿就会发生，这将导致器件的崩溃。在二氧化硅中，击穿时的电场为6×106V/cm左右。此击穿场强比硅中的大，但是栅氧化层还是很薄。当氧化层厚度为500A时，大约30伏特的栅压可以造成击穿。但是，通常因数的安全边界值为3，因此，tox＝500A时的最大安全栅压为10伏特。因为在氧化层中可能存在缺陷，从而降低击穿场强，所以安全的边界值是必要的。除了在功率器件和极薄氧化层器件中，氧化层击穿通常不是很重要的问题。 5.5.1 击穿电压 沟道雪崩击穿 漏极附近的空间电荷区离化可以造成雪崩击穿。我们考虑第八章中讲述的pn结雪崩击穿。在理想单边pn结中，击穿主要是pn结低掺杂区的掺杂浓度的函数。对于MOSFET，低掺杂区对应于半导体衬底。例如，如果一p型衬底掺杂浓度为Na＝3×1016cm－3，那么对于缓变结击穿电压大约为25伏特。然而，n＋漏极可能是一个相当浅的扩散区并发生弯曲。耗尽区的电场在弯曲处有集中的趋向，从而降低了击穿电压，如下图所示。 5.5.1 击穿电压 图12.21 5.5.1 击穿电压 寄生晶体管击穿 另一种击穿机制为如下所示的S形击穿曲线。这种击穿是由于二级效应而产生的，可以通过图12.23加以解释。图12.23a中的n沟增强型MOSFET的几何图形表明了源极和衬底接地。n（源）－p（衬底）－n（漏）结构形成了一个寄生双极晶体管。其等效电路示于图12.23b。 图12.22 12.23 $