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1、集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础集成电路设计基础第五章第五章 MOS 场效效应管的特性管的特性华华南理工大学南理工大学南理工大学南理工大学 电电子与信息学院子与信息学院子与信息学院子与信息学院广州集成广州集成广州集成广州集成电电路路路路设计设计中心中心中心中心殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥教授教授教授教授第五章第五章 MOS 场效效应管的特性管的特性5.1 MOS场效效应管管 5.2 MOS管的管的阈值电压5.3 体效体效应 5.4 MOSFET的温度特性的温度特性 5.5 MOSFET的噪声的噪声5.6 MOSFET尺寸按比例尺寸按比例缩小小5.7 MOS器件的二器件的二阶效效应2
2、021/6/1625.1 MOS场效效应管管5.1.1 MOS管伏安特性的推管伏安特性的推导两个两个PN结： 1）N型漏极与型漏极与P型型衬底；底； 2）N型源极与型源极与P型型衬底。底。 同双极型晶体管中的同双极型晶体管中的PN 结 一一样， 在在结周周围由于由于载流流 子的子的扩散、漂移达到散、漂移达到动态平平 衡，而衡，而产生了耗尽生了耗尽层。一个一个电容器容器结构构 栅极与极与栅极下面区域形成一个极下面区域形成一个电容器，是容器，是MOS管的核心。管的核心。2021/6/163MOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数栅长栅长:L栅宽栅宽:W氧化氧化层层厚度厚度: tox2021
3、/6/164MOSFET的三个基本几何参数的三个基本几何参数Lmin、 Wmin和和 tox 由工由工艺艺确定确定Lmin： MOS工工艺艺的特征尺寸的特征尺寸(feature size) 决定决定MOSFET的速度的速度和和功耗等众多特性功耗等众多特性L和和W由由设计设计者者选选定定通常通常选取取L= Lmin，由此，由此，设计设计者者只需只需选取取WW影响影响MOSFET的速度的速度，决定决定电路路驱动能力和能力和功耗功耗2021/6/165MOSFET的伏安特性的伏安特性:电容容结构构当当栅极极不不加加电压或或加加负电压时，栅极极下下面面的的区区域域保保持持P型型导电类型型，漏漏和和源源
4、之之间等等效效于于一一对背背靠靠背背的的二二极极管管，当当漏漏源源电极极之之间加加上上电压时，除除了了PN结的的漏漏电流流之之外外，不不会会有有更更多多电流形成。流形成。当当栅极极上上的的正正电压不不断断升升高高时，P型型区区内内的的空空穴穴被被不不断断地地排排斥斥到到衬底底方方向向。当当栅极极上上的的电压超超过阈值电压VT，在在栅极极下下的的P型型区区域域内内就就形形成成电子子分分布布，建建立立起起反反型型层，即即N型型层，把把同同为N型型的的源源、漏漏扩散散区区连成成一一体体，形形成成从从漏漏极极到到源源极极的的导电沟道。沟道。这时，栅极极电压所感所感应的的电荷荷Q为， Q=CVge式中式
5、中Vge是栅极有效控制电压。是栅极有效控制电压。2021/6/166非非饱和和时（沟道未（沟道未夹断）断），在漏源，在漏源电压Vds作用下，作用下，这些些电荷荷Q将在将在 时间内通内通过沟道，因此有沟道，因此有 为载流子速度，为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，为漏到源方向电场强度，Vds为漏为漏到源电压。到源电压。 为为载流子迁移率：载流子迁移率：n n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率电子迁移率(NMOS)n p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率空穴迁移率(PMOS)电电荷在沟道中的渡越荷在沟道中的渡越时间时间2021/6/167MOSFET的伏安特
6、性方程的伏安特性方程非非饱和情况下，通和情况下，通过MOS管漏源管漏源间的的电流流Ids为：e= . 0 栅极栅极-沟道间氧化层介电常数沟道间氧化层介电常数, = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge：栅级对衬底的有效控制电压栅级对衬底的有效控制电压2021/6/168当当Vgs-VT=Vds时，满足足:Ids达到最大达到最大值Idsmax，其，其值为 Vgs-VT=Vds，意意味味着着近近漏漏端端的的栅极极有有效效控控制制电压Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感感应电荷荷为0，沟沟道道夹断断，电流流不不会会再再增
7、增大大，因因而而，这个个 Idsmax 就是就是饱和和电流流。MOSFET饱和特性和特性2021/6/169MOSFET特性曲特性曲线线在非在非饱饱和区和区 饱饱和区和区 (Ids 与与 Vds无关无关) . MOSFET是是平方律平方律器件器件!2021/6/16105.1.2 MOSFET电容的容的组成成MOSMOS电容是一个相当复容是一个相当复杂的的电容，有多容，有多层介介质：在在栅极极电极极下下面面有有一一层SiOSiO2 2介介质。SiOSiO2 2下下面面是是P P型型衬底底，最最后后是是衬底底电极，同极，同衬底之底之间是欧姆接触。是欧姆接触。MOSMOS电容与外加容与外加电压有关
8、。有关。1）当当V Vgsgs00时，栅极极上上的的正正电荷荷排排斥斥了了Si中中的的空空穴穴，在在栅极下面的极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。表面上，形成了一个耗尽区。 耗耗尽尽区区中中没没有有可可以以自自由由活活动的的载流流子子，只只有有空空穴穴被被赶赶走走后后剩剩下下的的固固定定的的负电荷荷。这些些束束缚电荷荷是是分分布布在在厚厚度度为Xp的的整整个个耗耗尽尽区区内内，而而栅极极上上的的正正电荷荷则集集中中在在栅极极表表面面。这说明了明了MOS电容器可以看成两个容器可以看成两个电容器的串容器的串联。l以以SiO2为介质的电容器为介质的电容器Coxl以耗尽层为介质的电容器以耗尽层为介质
9、的电容器CSi 总电容总电容C为为: 比原来的比原来的Cox要小些。要小些。2021/6/1612MOS电容容束束缚电荷荷层厚度厚度耗耗尽尽层电容容的的计算算方方法法同同PN结的的耗耗尽尽层电容容的的计算算方方法法相相同，利用泊松公式同，利用泊松公式式式中中NA是是P型型衬底底中中的的掺杂浓度度，将将上上式式积分分得得耗耗尽尽区区上上的的电位差位差 ：从而得出从而得出束束缚电荷荷层厚度厚度2021/6/1613MOS电容容 耗尽耗尽层电容容是一个非是一个非线性性电容，随容，随电位差的增大而减小。位差的增大而减小。在耗尽在耗尽层中束中束缚电荷的荷的总量量为是耗尽是耗尽层两两侧电位差位差 的函数，
10、耗尽的函数，耗尽层电容容为2021/6/1614MOS电容容耗尽耗尽层电容特性容特性随随着着Vgs的的增增大大，排排斥斥掉掉更更多多的的空空穴穴，耗耗尽尽层厚厚度度Xp增增大大，耗耗尽尽层上上的的电压降降 就就增增大大，因因而而耗耗尽尽层电容容CSi就就减减小小。耗耗尽尽层上上的的电压降降的的增增大大，实际上上就就意意味味着着Si表表面面电位位势垒的的下下降降，意意味味着着Si表表面面能能级的下降。的下降。一一旦旦Si表表面面能能级下下降降到到P型型衬底底的的费米米能能级，Si表表面面的的半半导体体呈呈中中性性。这时，在在Si表表面面，电子子浓度度与空穴与空穴浓度度相等相等，成，成为本征半本征
11、半导体。体。2021/6/1615MOS电容容耗尽耗尽层电容特性容特性(续)3）若若Vgs再再增增大大，排排斥斥掉掉更更多多的的空空穴穴，吸吸引引了了更更多多的的电子子，使使得得Si表表面面电位位下下降降，能能级下下降降，达达到到低低于于P型型衬底底的的费米米能能级。这时，Si表表面面的的电子子浓度度超超过了了空空穴穴的的浓度度，半半导体体呈呈N型型，这就就是是反反型型层。不不过，它它只只是是一一种种弱弱反反型型层。因因为这时电子子的的浓度度还低低于于原原来空穴的来空穴的浓度。度。 随随着着反反型型层的的形形成成，来来自自栅极极正正电荷荷发出出的的电力力线，已已部部分分地地落落在在这些些电子子
12、上上，耗耗尽尽层厚厚度度的的增增加就加就减慢减慢了，相了，相应的的MOS电容容CSi的减小也减慢了的减小也减慢了。2021/6/16164） 当当Vgs增增加加，达达到到VT值，Si表表面面电位位的的下下降降，能能级下下降降已已达达到到P型型衬底底的的费米米能能级与与本本征征半半导体体能能级差差的的二二倍倍。它它不不仅抵抵消消了了空空穴穴，成成为本本征征半半导体体，而而且且在在形形成成的的反反型型层中中，电子子浓度度已已达达到到原原先先的的空空穴穴浓度度这样的的反反型型层就就是是强反反型型层。显然然，耗耗尽尽层厚度不再增加，厚度不再增加，CSi也不再减小。也不再减小。这样， 就达到最小就达到最
13、小值Cmin。 最小的最小的CSi是由最大的耗尽是由最大的耗尽层厚度厚度Xpmax计算出来的。算出来的。MOS电容容耗尽耗尽层电容特性容特性(续)2021/6/1617MOS电容容凹谷特性凹谷特性5）当当Vgs继续增增大大，反反型型层中中电子子的的浓度度增增加加，来来自自栅极极正正电荷荷的的电力力线，部部分分落落在在这些些电子子上上，落落在在耗耗尽尽层束束缚电子子上上的的电力力线数数目目就就有有所所减减少少。耗耗尽尽层电容容将将增增大大。两两个个电容容串串联后后，C将将增增加加。当当Vgs足足够大大时，反反型型层中中的的电子子浓度度已已大大到到能能起起到到屏屏蔽蔽作作用用，全全部部的的电力力线
14、落落在在电子子上上。这时，反反型型层中中的的电子子将将成成为一一种种镜面面反反射射，感感应全全部部负电荷荷，于于是是，C = Cox 。电容容曲曲线出出现了了凹凹谷谷形，如形，如图6.2 。 必必须指指出出，上上述述讨论未未考考虑到到反反型型层中中的的电子子是是哪哪里里来来的的。若若该MOS电容容是是一一个个孤孤立立的的电容容，这些些电子子只只能依靠共价能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢的分解来提供，它是一个慢过程，程，ms级。2021/6/1618MOS电容容凹谷特性凹谷特性测量量若若测量量电容容的的方方法法是是逐逐点点测量量法法一一种种慢慢进程程，那那么么将将测量到量到这种凹谷曲种凹谷曲
15、线。 2021/6/1619MOS电容容凹谷特性凹谷特性测量量若若测量量电容容采采用用高高频方方法法，譬譬如如，扫频方方法法，电压变化化很很快快。共共价价键就就来来不不及及瓦瓦解解，反反型型层就就无无法法及及时形成，于是，形成，于是，电容曲容曲线就回到就回到Cox值。然然而而，在在大大部部分分场合合，MOS电容容与与n+区区接接在在一一起起，有有大大量量的的电子子来来源源，反反型型层可可以以很很快快形形成成，故故不不论测量量频率率多多高高，电压变化化多多快快，电容容曲曲线都都呈呈凹凹谷谷形。形。2021/6/16205.1.3 MOS电容容的的计算算MOS电容容C仅仅是是栅极极对衬底的底的电容
16、，不是外容，不是外电路中可以路中可以观察的察的电容容Cg， Cs 和和Cd。MOS电容容C对Cg，Cd有所有所贡献。在源极和献。在源极和衬底之底之间有有结电容容Csb，在漏极和在漏极和衬底之底之间也有也有结电容容Cdb。 另外，源极耗尽区、漏极另外，源极耗尽区、漏极耗尽区都渗耗尽区都渗进到到栅极下面的极下面的区域。区域。栅极与漏极极与漏极扩散区，散区，栅极与源极极与源极扩散区都存在着散区都存在着某些交迭，故客某些交迭，故客观上存在着上存在着Cgs和和Cgd。当然，引出当然，引出线之之间还有有杂散散电容，可以容，可以计入入Cgs和和Cgd。2021/6/1621MOS电容的容的计算算Cg、Cd的
17、的值还与所加的与所加的电压有关有关:1）若若VgsVT，沟沟道道建建立立，MOS管管导导通通。MOS电电容容是是变变化化的的，呈呈凹凹谷谷状状，从从Cox下下降降到到最最低低点点，又又回回到到Cox。这这时时，MOS电电容容C对对Cg，Cd都都有有贡贡献献，它它们们的的分分配配取取决决于于MOS管管的的工工作状态。作状态。2021/6/1622MOS电容的容的计算算若若处于于非非饱和状和状态，则按按1/3与与2/3分配，即分配，即Cg = Cgs + 2/3CCd = Cdb +1/3C 因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流为 由由Vg
18、s和和Vds的系数可知的系数可知栅极极电压Vgs对栅极极电荷的影响荷的影响力，与漏极力，与漏极电压Vds对栅极极电荷的影响力荷的影响力为2:1的关系，的关系，故故贡献将分献将分别为 2/3与与1/3 。2021/6/1623MOS电容的容的计算算(续)n若若处于于饱和和状状态，则表明沟道电荷已与表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么，无关，沟道已夹断。那么，在在饱和和状状态下下，沟沟道道长度度受受到到Vds的的调制制，有有效效沟沟道道长度度L-L变小小2021/6/1624MOS电容的容的计算算(续) 当当Vds增增加加时，漏漏端端夹断断区区耗耗尽尽层长度度L 增增大大，Ids增增加加，
19、那那是是因因为载流流子子速速度度增增加加了了，它它与与C的的分分配配无无关关。然然而而，L 的的增增大大使使得得漏漏极极耗耗尽尽层宽度度有有所所增增加加，增大了增大了结电容。故，容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb2021/6/1625Cap.N+Act. P+Act. PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Area (P+act.)34
20、15aF/um2Fringe (sub.)249261aF/um深深亚微米微米CMOS IC工工艺的寄生的寄生电容容(数据数据)2021/6/1626Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology深深亚微米微米CMOS IC工工艺的寄生的寄生电容容2021/6/16275.2 MOSFET的的阈值电压VT阈值电压是是MOS器件的一个重要参数。按器件的一个重要参数。按MOS沟道随沟道随栅压正向和正向和负向增加而形成或消失的机理，存在着两向增加而形成或消失的机理，存在着两种种类型的型的MOS器件：器件：l耗耗尽尽型型
21、(Depletion)：沟沟道道在在Vgs=0时时已已经经存存在在。当当Vgs“负负”到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。到一定程度时截止。一般情况，这类器件用作负载。l增增强强型型(Enhancement)：在在正正常常情情况况下下它它是是截截止止的的，只只有有当当Vgs“正正”到一定程度，才会导通，故用作开关。到一定程度，才会导通，故用作开关。2021/6/1628=概概念念上上讲, VT就就是是将将栅极极下下面面的的Si表表面面从从P型型Si变为N型型Si所所必必要要的的电压。 它它由由两两个个分分量量组成成, 即即: VT= Us+ Vox=Us : Si表面表面电位位; =
22、Vox: SiO2层上的上的压降。降。VT的的组成成2021/6/1629Us 的的计算算将将栅极极下下面面的的Si表表面面从从P/N型型Si变为N/P型型Si所所必必要要的的电压Us 与与衬底底浓度度Na有关。有关。在在半半导体体理理论中中，P型型半半导体体的的费米米能能级是是靠靠近近满带的的，而而N型型半半导体体的的费米米能能级则是是靠靠近近导带的的。要要想想把把P型型变为N型型，外加外加电压必必须补偿这两个两个费米能米能级之差。之差。2021/6/1630Vox的的计算算Vox根根据据从从金金属属到到氧氧化化物物到到SiSi衬底底XmXm处的的电场分分布布曲曲线导出出:2021/6/16
23、31在工艺环境确定后，在工艺环境确定后，MOS管的阈值电压管的阈值电压VT主要决定主要决定 1. 衬底的掺杂浓度衬底的掺杂浓度Na。 2. CoxVT的理想的理想计算公式算公式2021/6/16325.3 MOSFET的体效的体效应前前面面的的推推导都都假假设源源极极和和衬底底都都接接地地，认为Vgs是是加加在在栅极极与与衬底底之之间的的。实际上上，在在许多多场合合，源源极极与与衬底底并并不不连接接在在一一起起。通通常常，衬底底是是接接地地的的，但但源源极极未未必必接接地地, 源源极极不不接接地地时对VT值的的影影响响称称为体体效效应(Body Effect)。2021/6/1633阈值电压随
24、源极随源极-衬底底电压的的变化化某一某一CMOS工工艺条件下，条件下，NMOS阈值电压随源极随源极-衬底底电压的的变化曲化曲线2021/6/1634MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率 和阈和阈值电压值电压VT随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基随温度的变化。载流子的迁移率随温度变化的基本特征是：本特征是： T 由于由于 所以，所以，T gm 阈值电压阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小：的绝对值同样是随温度的升高而减小：T VTVT(T) (2 4) mV/C VT 的变化的变化还还与衬底的杂质浓度与衬底的杂质浓度Ni和氧
25、化层的厚和氧化层的厚 度度tox有关：有关： (Ni , tox ) VT(T) 5.4 MOSFET的温度特性的温度特性2021/6/1635MOSFET的噪声来源主要由两部分：的噪声来源主要由两部分：n 热热噪声噪声(thermal noise)n 闪烁闪烁噪声噪声(flicker noise，1/f-noise) 5.5 MOSFET的噪声的噪声2021/6/1636热噪声噪声n是由沟道内载流子的无规则热运动造成是由沟道内载流子的无规则热运动造成 的，通过沟道电阻的，通过沟道电阻生成热噪声电压生成热噪声电压 veg(T，t)，其等效电压值可近似表达为其等效电压值可近似表达为 f为所研究的
26、频带宽度为所研究的频带宽度, T是绝对温度是绝对温度.n设设MOS模拟电路工作在饱和区模拟电路工作在饱和区, gm可写为可写为结论：结论：增加增加MOS的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声的栅宽和偏置电流，可减小器件的热噪声2021/6/1637闪烁噪声噪声(flicker noise，1/f -noise)形成机理：形成机理：沟沟道处道处SiO2与与Si界面上电子的充放电界面上电子的充放电闪烁噪声的等效电压值闪烁噪声的等效电压值系数系数K2典型值为典型值为3 1024V2F/Hz。因为因为 1，所以闪烁噪声被称之为，所以闪烁噪声被称之为1/f 噪声噪声。1)时时, 电电路指路指标变标变化化:
27、2021/6/1650MOSFET特征尺寸按特征尺寸按 ( 1)缩减的减的优点点电路密度增加电路密度增加 2倍倍 VLSI, ULSI功耗降低功耗降低 2倍倍 器件时延降低器件时延降低 倍倍 器件速率提高器件速率提高 倍倍线路上的延迟不变线路上的延迟不变优值增加优值增加 2倍倍 这这就是就是为为什么人什么人们们把把MOS工工艺艺的特征尺寸做得一小的特征尺寸做得一小再小，使得再小，使得MOS电电路路规规模越来越大，模越来越大，MOS电电路速率越路速率越来越高的重要原因。来越高的重要原因。2021/6/16515.7 MOS器件的二器件的二阶效效应随随着着MOS工工艺向向着着亚微微米米、深深亚微微
28、米米的的方方向向发展展，采采用用简化化的的、只只考考虑一一阶效效应的的MOS器器件件模模型型来来进行行电路路模模拟，已已经不能不能满足精度要求。此足精度要求。此时必必须考考虑二二阶效效应。二阶效应出于两种原因：二阶效应出于两种原因：1) 当当器器件件尺尺寸寸缩缩小小时时，电电源源电电压压还还得得保保持持为为5V，于于是是，平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。平均电场强度增加了，引起了许多二次效应。2) 当当管管子子尺尺寸寸很很小小时时，这这些些小小管管子子的的边边缘缘相相互互靠靠在在一一起起，产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。产生了非理想电场，也严重地影响了它们的特性。下面具体讨
29、论二阶效应在各方面的表现。下面具体讨论二阶效应在各方面的表现。2021/6/16525.7.1 L和和W的的变化化在在一一阶理理论的的设计方方法法中中，总认为L、W是是同同步步缩减减的的，是是可可以以严格格控控制制的的。事事实并并非非如如此此，真真正正器器件件中中的的L、W并并不不是是原原先先版版图上上所所定定义的的L、W。原原因因之之一一在在于于制制造造误差差，如如右右图所所示示；原原因因之之二二是是L、W定定义本身就不确切，不符合本身就不确切，不符合实际情况。情况。2021/6/1653 L和和W的的变化化(续) 通通常常，在在IC中中各各晶晶体体管管之之间是是由由场氧氧化化区区（fiel
30、d oxide）来来隔隔离离的的。在在版版图中中，凡凡是是没没有有管管子子的的地地方方，一一般般都都是是场区区。场是是由由一一层很很厚厚的的SiO2形形成成的的。多多晶晶硅硅或或铝线在在场氧氧化化区区上上面面穿穿过，会会不会不会产生寄生生寄生MOS管呢？不会的。因管呢？不会的。因为MOS管的开启管的开启电压为 对于于IC中中的的MOS管管，SiO2层很很薄薄，Cox较大大，VT较小小。对于于场区区，SiO2层很很厚厚，Cox很很小小，电容容上上的的压降降很很大大，使使得得这个个场区区的的寄寄生生MOS管管的的开开启启电压远远大大于于电源源电压，即即VTFVDD。这里寄生的里寄生的MOS管永管永
31、远不会打开，不能形成不会打开，不能形成MOS管。管。2021/6/1654另另外外，人人们又又在在氧氧化化区区的的下下面面注注入入称称为场注注入入区区（field implant）的的P+ 区区，如如下下图所所示示。这样，在在氧氧化化区区下下面面衬底底的的 Na值 较大大，也也提提高高了了寄寄生生 MOS 管管的的开开启启电压。同同时，这个个注注入入区区也也用用来来控控制制表表面面的的漏漏电流流。如如果果没没有有这个个P+注注入入区区，那那么么，两两个个MOS管管的的耗耗尽尽区区很很靠靠近近，漏漏电增增大大。由由于于P+是是联在在衬底底上上的的，处于于最最低低电位位，于于是是，反反向向结隔隔离
32、离性性能能良良好好，漏漏电流大大减小。流大大减小。 结论: 所所以以，在在实际情情况况中中，需需要要一一个个很很厚厚的的氧氧化化区区和和一一个个注注入入区区，给工工艺制造制造带来了新的来了新的问题。场注入场注入L和和W的的变化化(续)2021/6/1655L和和W的的变化化(续) 制制造造步步骤：先先用用有有源源区区的的mask，在在场区区外外生生成成一一个个氮氮化化硅硅的的斑斑区区。然然后后，再再以以这个个斑斑区区作作为implant mask，注注入入P+区区。最最后后，以以这个个斑斑区区为掩掩膜膜生生成成氧氧化化区区。然然而而，在在氧氧化化过程程中中，氧氧气气会会从从斑斑区区的的边沿沿处
33、渗渗入入，造造成成了了氧氧化化区区具具有有鸟嘴嘴形形（bird beak）。）。Bird beak的的形形状状和和大大小小与与氧氧化化工工艺中中的的参参数数有有关关，但但是是有有一一点点是是肯肯定定的的，器器件件尺尺寸寸、有有源源区区的的边沿沿更更动了了。器器件件的的宽度度不不再是版再是版图上所画的上所画的Wdrawn，而是而是W， W = Wdrawn 2 W式式中中 W就就是是bird beak侵侵入入部部分分，其其大大小小差差不不多多等等于于氧氧化化区区厚厚度度的的数数量量级。当当器器件件尺尺寸寸还不不是是很很小小时，这个个 W影影响响不不大大；当当器件器件缩小后，小后，这个个 W是可是
34、可观的，它影响了开启的，它影响了开启电压。2021/6/1656L和和W的的变化化(续)另另一一方方面面，注注入入区区也也有有影影响响。由由于于P+区区是是先先做做好好的的，后后来来在在高高温温氧氧化化时，这个个P+区区中中的的杂质也也扩散散了了，侵侵入入到到管管子子区区域域，改改变了了衬底的底的浓度度Na，影响了开启影响了开启电压。同同时，扩散散电容容也也增增大大了了，N+区区与与P+区区的的击穿穿电压降降低低。另另外外，栅极极长度度L不不等等于于原原先先版版图上上所所绘制制的的Ldrawn，也也减减小小了了，如如图所所示。示。Ldrawn是是图上上绘制的制的栅极极长度。度。Lfinal是加
35、工完后的是加工完后的实际栅极极长度。度。Lfinal = Ldrawn 2 Lpoly2021/6/1657L和和W的的变化化(续)=尺寸尺寸缩小的原因是在小的原因是在蚀刻（刻（etching）过程中，多晶程中，多晶硅（硅（Ploy）被腐被腐蚀掉了。掉了。=另一方面，另一方面，扩散区又延伸散区又延伸进去了，两去了，两边合起来延伸了合起来延伸了2 Ldiff，故沟道故沟道长度度仅仅是，是， L = Ldrawn 2 Lpoly 2 Ldiff这2 Ldiff是重叠区，也增加了是重叠区，也增加了结电容。容。 Cgs = W LdiffCox Cgd = W LdiffCox式中式中Cox是是单位面
36、位面积电容。容。2021/6/16585.7.2 迁移率的退化迁移率的退化 众众所所周周知知，MOS管管的的电流流与与迁迁移移率率 成成正正比比。在在设计器器件件或或者者计算算MOS管管参参数数时，常常常常假假定定 是是常常数数。而而实际上上， 并并不不是是常常数数。从从器器件件的的外外特特性性来来看看，至至少少有有三三个个因因素影响素影响 值，它，它们是：温度是：温度T，垂直垂直电场Ev，水平水平电场Eh。1） 特征迁移率特征迁移率 0 0与与制制造造工工艺密密切切相相关关。它它取取决决于于表表面面电荷荷密密度度，衬底底掺杂和和晶晶片片趋向向。 0还与与温温度度T有有关关，温温度度升升高高时
37、， 0就就降降低低。如如果果从从25增增加加到到100， 0将将下下降降一一半半。因因而而，在在MOS管正常工作温度范管正常工作温度范围内，要考内，要考虑 0是是变化的。化的。2021/6/1659迁移率的退化（迁移率的退化（续）2） 迁移率迁移率 的退化的第二个原因：的退化的第二个原因：还有有电场强度度 通通常常，电场强度度E增增加加时， 是是减减小小的的。然然而而，电场E有有水水平平分量和垂直分量，因而分量和垂直分量，因而 将随将随Ev，Eh而退化。而退化。通常，通常， 可以表示可以表示为， = 0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)其中，其中， 0(T)是温度的函数，是
38、温度的函数， 0(T) = kT M于是，于是， 在在半半导体体Si内内，M=1.5，这是是Spice中中所所用用的的参参数数。但但在在反反型型层内内（NMOS管管），M=2，所所以以，一一般般认为，M值是是处在在1.5 2之之间。 0的的典典型型值为，N沟沟道道MOS管管， 0=600cm2/V S；P沟沟道道MOS管管， 0=250cm2/V S。式式中中fv是是垂垂直直电场的的退退化化函函数数；fh是是水水平平电场的退化函数。的退化函数。2021/6/1660迁移率的退化（迁移率的退化（续） 水水平平电场对 的的影影响响，比比垂垂直直电场大大得得多多。因因为水水平平电场将将加加速速载流流
39、子子运运动。当当载流流子子速速度度被被加加速速到到一一个个大大的的数数值，水水平平速速度度会会饱和和。一一般般来来讲，N型型Si的的 0远大大于于P型型Si的的 0。然然而而，这两两种种载流子的流子的饱和速度是相同的。和速度是相同的。 对于于一一个个高高性性能能器器件件来来说，载流流子子是是以以最最高高速速度度，即即饱和和速速度度通通过沟沟道道的的。这时，P沟沟道道管管子子的的性性能能与与N沟沟道道管管子子差差不不多多相相等。等。这并不是并不是P型器件得到改型器件得到改进，而是，而是N型器件有所退化。型器件有所退化。Vc是是临界界电压，Vc= ctox， c是是临界界电场， c=2 105 V
40、/cm 。垂直垂直 值退化大退化大约为25% 50%。2021/6/1661迁移率的退化（迁移率的退化（续） 经过长期期研研究究，已已经确确定定，在在电场不不强时，N沟沟道道的的 确确实比比P沟沟道道的的 大大得得多多，约2.5倍倍。但但当当电场增增强时，这个个差差距距就就缩小小，当当电场强到到一一定定程程度度，N管管与与P管管达达到到同同一一饱和速度，得到同一个和速度，得到同一个 值。它与。它与掺杂几乎无关。几乎无关。2021/6/16625.7.3 沟道沟道长度度调制制简化的化的MOS原理中，原理中，认为饱和后，和后，电流不再增加。事流不再增加。事实上，上，饱和和区中，当区中，当Vds增加
41、增加时，Ids仍然增加的。仍然增加的。这是是因因为沟沟道道两两端端的的耗耗尽尽区区的的宽度度增增加加了了，而而反反型型层上上的的饱和和电压不不变，沟沟道道距距离离减减小小了了，于于是是沟沟道道中中水水平平电场增增强了了，增增加了加了电流。故器件的有效沟道流。故器件的有效沟道长度度为 L = L漏极区的耗尽区的漏极区的耗尽区的宽度度Vds VDsat 是耗尽区上的是耗尽区上的电压如果如果衬底底掺杂高，那么高，那么这种种调制效制效应就减小了就减小了2021/6/16635.7.4 短沟道效短沟道效应引起引起门限限电压变化化迄迄今今，我我们对MOS管管的的分分析析全全是是一一维的的。无无论是是垂垂直
42、直方方向向，还是是水水平平方方向向，都都是是一一维计算算的的。我我们隐含含地地假假定定，所所有有的的电场效效应都都是是正正交交的的。然然而而，这种种假假定定在在沟沟道道区区的的边沿沿上上是是不不成成立立的的。因因为沟沟道道很很短短，很很窄窄，边沿沿效效应对器器件件特特性性有重大影响。（最重要的短沟道效有重大影响。（最重要的短沟道效应是是VT的减小。）的减小。）加加在在栅极极上上的的正正电压首首先先是是用用来来赶赶走走P型型衬底底中中的的多多数数载流流子子空空穴穴，使使栅极极下下面面的的区区域域形形成成耗耗尽尽层，从从而而降降低低了了Si表表面面的的电位位。当当这个个电位位低低到到P型型衬底底的
43、的费米米能能级时，半半导体体出出现中中性性。这时，电子子浓度度和和空空穴穴浓度度相相等等。若若再再增增加加栅极极电压，就形成反型，就形成反型层。2021/6/1664短沟道效短沟道效应引起引起门限限电压变化化(续)栅极感极感应所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是所生成的耗尽区，与源、漏耗尽区是连接在一起的。接在一起的。显然，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由然，有部分区域是重叠的。那里的耗尽区是由栅极感极感应与与扩散平散平衡共同形成的。差不多一半由感衡共同形成的。差不多一半由感应产生，另一半由生，另一半由扩散形成。散形成。这样，栅极极电压只要稍加一点，就可以在只要稍加一点，就可以在栅极下面形成耗
44、尽区，极下面形成耗尽区， QB = QB QL故故门限限电压VT必然降低。必然降低。2021/6/1665短沟道效短沟道效应引起引起门限限电压变化化(续)对于于长沟道沟道MOS管，影响不大。但是当沟道管，影响不大。但是当沟道长度度L5 后，后，VT降低极其明降低极其明显，如，如图所示。所示。2021/6/16665.7.5 狭沟道引起的狭沟道引起的门限限电压VT的的变化化如如果果沟沟道道太太窄窄，即即W太太小小，那那么么栅极极的的边缘电场会会引引起起Si衬底底中中的的电离离化化，产生生了了附附加加的的耗耗尽尽区区，增增加加门限限电压。由由此此可可见，短短沟沟道道、狭狭沟沟道道效效应，对于于工工艺控控制制是是比比较敏感的。敏感的。2021/6/1667本章本章练习练习1.写出写出MOSFET的基本的基本电流方程。流方程。2.MOSFET的的饱和和电流取决于哪些参数流取决于哪些参数?3.什么是什么是MOSFET的的阈值电压？它受哪些因素的影？它受哪些因素的影响？响？4.说明明L、W对MOSFET的速度、功耗、的速度、功耗、驱动能力能力的影响。的影响。5.说明明MOSFET噪声的来源、成因及减小的方法。噪声的来源、成因及减小的方法。2021/6/1668 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
