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MOSFET-閾值電壓與溝道長和溝道寬的關(guān)系-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2021-09-30 

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MOSFET-閾值電壓與溝道長和溝道寬的關(guān)系-KIA MOS管


閾值電壓(Threshold voltage)

通常將傳輸特性曲線中輸出電流隨輸入電壓改變而急劇變化轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓。


MOS管,當(dāng)器件由耗盡向反型轉(zhuǎn)變時(shí),要經(jīng)歷一個 Si 表面電子濃度等于空穴濃度的狀態(tài)。此時(shí)器 件處于臨界導(dǎo)通狀態(tài),器件的柵電壓定義為閾值電壓,它是MOSFET的重要參數(shù)之一 。


MOS管的閾值電壓等于背柵(backgate)和源極(source)接在一起時(shí)形成溝道(channel)需要的柵極(gate)對source偏置電壓。如果柵極對源極偏置電壓小于閾值電壓,就沒有溝道(channel)。


閾值電壓與溝道長和溝道寬的關(guān)系:

關(guān)于 MOSFET 的 W 和 L 對其閾值電壓 Vth 的影響,實(shí)際在考慮工藝相關(guān)因素后都是比較復(fù)雜,但是也可以有一些簡化的分析,這里主要還是分析當(dāng)晶體管處在窄溝道和短溝道情況下,MOSFET 耗盡區(qū)的電荷的變化,從而分析其對晶體管的閾值電壓的作用。


Narrow channel 窄溝的分析


MOSFET 閾值電壓 溝道


MOSFET 閾值電壓 溝道


從上圖可以看到,決定 MOSFET 閾值電壓的耗盡層電荷,并不僅是在柵下區(qū)域的電荷 Qch;實(shí)際上在圖中耗盡區(qū)左右與表面相接處,還需要有額外的電荷 Qchw。


在晶體管的溝寬 W 較大時(shí),Qchw 這一額外的電荷可以忽略;而當(dāng)溝寬 W 較小時(shí),Qchw 不能再忽略,使得等效的耗盡層電荷密度增加,MOS 管的閾值電壓升高,即如上面右圖所示。


實(shí)際上,窄溝導(dǎo)致的閾值電壓的變化也可以理解為在溝寬 W 方向的邊緣電場的電力線出現(xiàn)在溝道以外,因此需要更多的柵電壓來維持溝道開啟。


因此窄溝的效應(yīng)實(shí)際上與具體的集成電路工藝,例如器件采用的隔離方式和隔離區(qū)域的摻雜濃度等關(guān)系很大。


對于 STI (shallow trench isolaTIon) 隔離方式的 MOSFET, 由于 STI wall 的作用,溝寬 W 方向的邊緣電場的電力線實(shí)際上是在溝道方向集中,因此會出現(xiàn)所謂的 inverse narrow-width effect,也即是隨著溝寬 W 的減小,閾值電壓隨之減小。


Short channel 短溝的分析

MOSFET 閾值電壓 溝道


MOSFET 閾值電壓 溝道


如上面左圖所示, 晶體管中耗盡層電荷包括從源到漏的所有電荷。 但是, 實(shí)際上在靠近源和漏端的部分電荷 Qchl , 不再直接受控于柵, 而是由源和漏來控制。 因此 Qchl 是不應(yīng)該包含在閾值電壓的計(jì)算中的。


類似之前的分析, 當(dāng)溝長 L 較小時(shí), 需要考慮 Qchl 影響, 使等效的耗盡層電荷密度減小, MOS 管的閾值電壓減小,即如上面右圖所示。


在具體工藝中, 由于存在溝道的非均勻摻雜等現(xiàn)象,實(shí)際上會使得有 reverse short-channel effect 的出現(xiàn),即隨著 MOSFET 的溝長 L 的減小,閾值電壓會先小幅升高,之后 L 進(jìn)一步減小時(shí),閾值電壓下降,并且此時(shí)的閾值電壓對溝長的變化更為敏感。




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