第五章MOS場效應(yīng)管的特性ppt課件

1、東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/65.1 MOS場效應(yīng)管 5.2 MOS管的閾值電壓5.3 體效應(yīng) 5.4 MOSFET的溫度特性 5.5 MOSFET的噪聲5.6 MOSFET尺寸按比例縮小5.7 MOS器件的二階效應(yīng)1東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6兩個PN結(jié)： 1N型漏極與P型襯底； 2N型源極與P型襯底。 同雙極型晶體管中的PN 結(jié) 一樣， 在結(jié)周圍由于載流 子的擴(kuò)散、漂移達(dá)到動態(tài)平 衡，而產(chǎn)生了耗盡層。一個電容器結(jié)構(gòu)： 柵極與柵

2、極下面的區(qū)域形成一個電容器，是MOS管的核心。圖 5.12東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n 柵長:Ln 柵寬:Wn 氧化層厚度: toxtoxSDn(p)poly-Sidiffusionp+/n+p+/n+WGL3東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6nLmin、 Wmin和 tox 由工藝確定nLmin： MOS工藝的特征尺寸(feature size)n 決定MOSFET的速度和功耗等眾多特性nL和W由設(shè)計者選定n通常選取L= Lmin

3、，由此，設(shè)計者只需選取WnW影響MOSFET的速度，決定電路驅(qū)動能力和功耗4東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n 當(dāng)柵極不加電壓或加負(fù)電壓時，柵極下面的區(qū)域保持P型導(dǎo)電類型，漏和源之間等效于一對背靠背的二極管，當(dāng)漏源電極之間加上電壓時，除了PN結(jié)的漏電流之外，不會有更多電流形成。n 當(dāng)柵極上的正電壓不斷升高時，P型區(qū)內(nèi)的空穴被不斷地排斥到襯底方向。當(dāng)柵極上的電壓超過閾值電壓VT，在柵極下的P型區(qū)域內(nèi)就形成電子分布，建立起反型層，即N型層，把同為N型的源、漏擴(kuò)散區(qū)連成一體，形成從漏極到源極的導(dǎo)電溝道。這時，柵極電壓所感

4、應(yīng)的電荷Q為，n Q=CVgen 式中Vge是柵極有效控制電壓。5東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6非飽和時，在漏源電壓Vds作用下，這些電荷Q將在時間內(nèi)通過溝道，因此有dsdsVLELL 2MOS的伏安特性的伏安特性電荷在溝道中的渡越時間電荷在溝道中的渡越時間為載流子速度，Eds= Vds/L為漏到源方向電場強(qiáng)度，Vds為漏到源電壓。 為載流子遷移率： n = 650 cm2/(V.s) 電子遷移率(nMOS) p = 240 cm2/(V.s) 空穴遷移率(pMOS)6東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光

5、光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6非飽和情況下，通過MOS管漏源間的電流Ids為：dsTgsgedsdsTgsoxoxdsdsTgsoxoxdsgeoxoxdsgedsVVVVVVVVLWtVVVVLWtVVLtWLVLCVQI21with 21 )21( 222 = .0 柵極-溝道間 氧化層介電常數(shù), = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1Vge是柵級對襯底的有效控制電壓其值為柵級到襯底表面的電壓減VT7東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6當(dāng)Vg

6、s-VT=Vds時，滿足:Ids達(dá)到最大值Idsmax，其值為Vgs-VT=Vds，意味著近漏端的柵極有效控制電壓Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0感應(yīng)電荷為0，溝道夾斷，電流不會再增大，因此，這個 Idsmax 就是飽和電流。0dsdsdVdI2Tgsoxoxdsmax21VVLWtIMOS的伏安特性的伏安特性漏極飽和電流漏極飽和電流8東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n 在非飽和區(qū) 線性工作區(qū)n 在飽和區(qū)n (Ids 與 Vds無關(guān)) . MOSFET是平方律器件!IdsV

7、ds0線性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)11bVaIgsCVdsds22TgsdsVVaI9東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6MOS電容是一個相當(dāng)復(fù)雜的電容，有多層介質(zhì)：首先，在柵極電極下面有一層SiO2介質(zhì)。SiO2下面是P型襯底，襯底是比較厚的。最后，是一個襯底電極，它同襯底之間必須是歐姆接觸。MOS電容還與外加電壓有關(guān)。1當(dāng)Vgs0時，柵極上的正電荷排斥了時，柵極上的正電荷排斥了Si中的空穴，中的空穴，在柵極下面的在柵極下面的Si表面上，形成了一個耗盡區(qū)。表面上，形成了一個耗盡區(qū)。 耗盡區(qū)中沒有可以自由活動的載流子，只有空穴耗

8、盡區(qū)中沒有可以自由活動的載流子，只有空穴被趕走后剩下的固定的負(fù)電荷。這些束縛電荷是被趕走后剩下的固定的負(fù)電荷。這些束縛電荷是分布在厚度為分布在厚度為Xp的整個耗盡區(qū)內(nèi)，而柵極上的正的整個耗盡區(qū)內(nèi)，而柵極上的正電荷則集中在柵極表面。這說明了電荷則集中在柵極表面。這說明了MOS電容器可電容器可以看成兩個電容器的串聯(lián)。以看成兩個電容器的串聯(lián)。以以SiO2為介質(zhì)的電容器為介質(zhì)的電容器Cox以耗盡層為介質(zhì)的電容器以耗盡層為介質(zhì)的電容器CSi 總電容總電容C為為: 比原來的比原來的Cox要小些。要小些。111SioxCCC11東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研

9、研 究究 所所 2022/2/6耗盡層電容的計算方法同PN結(jié)的耗盡層電容的計算方法相同:利用泊松公式式中NA是P型襯底中的摻雜濃度，將上式積分得耗盡區(qū)上的電位差 ：從而得出束縛電荷層厚度ASiSiqN1 1221pSiAASiXqNdxdxqNASipNqX212東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6這時，在耗盡層中束縛電荷的總量為，它是耗盡層兩側(cè)電位差的函數(shù)，因此，耗盡層電容為，是一個非線性電容，隨電位差的增大而減小。ASiASiApAqNWLNqWLNWLXqNQ22q 221221ASiASiSiqNWLqNWLd

10、vdQC13東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n隨著Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗盡層厚度Xp增大，耗盡層上的電壓降就增大，因而耗盡層電容CSi就減小。耗盡層上的電壓降的增大，實際上就意味著Si表面電位勢壘的下降，意味著Si表面能級的下降。n一旦Si表面能級下降到P型襯底的費米能級，Si表面的半導(dǎo)體呈中性。這時，在Si表面，電子濃度與空穴濃度相等，成為本征半導(dǎo)體。14東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/63若若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴

11、，吸引了更多再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的電子，使得的電子，使得Si表面電位下降，能級下降，達(dá)到表面電位下降，能級下降，達(dá)到低于低于P型襯底的費米能級。這時，型襯底的費米能級。這時，Si表面的電子表面的電子濃度超過了空穴的濃度，半導(dǎo)體呈濃度超過了空穴的濃度，半導(dǎo)體呈N型，這就是型，這就是反型層。不過，它只是一種弱反型層。因為這時反型層。不過，它只是一種弱反型層。因為這時電子的濃度還低于原來空穴的濃度。電子的濃度還低于原來空穴的濃度。 隨著反型層的形成，來自柵極正電荷發(fā)出的隨著反型層的形成，來自柵極正電荷發(fā)出的電力線，已部分地落在這些電子上，耗盡層厚度電力線，已部分地落在這些電子上，耗盡

12、層厚度的增加就減慢了，相應(yīng)的的增加就減慢了，相應(yīng)的MOS電容電容CSi的減小也的減小也減慢了。減慢了。15東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/64） 當(dāng)當(dāng)Vgs增加，達(dá)到增加，達(dá)到VT值，值，Si表面電位的下降，能級表面電位的下降，能級下降已達(dá)到下降已達(dá)到P型襯底的費米能級與本征半導(dǎo)體能級差型襯底的費米能級與本征半導(dǎo)體能級差的二倍。它不僅抵消了空穴，成為本征半導(dǎo)體，而的二倍。它不僅抵消了空穴，成為本征半導(dǎo)體，而且在形成的反型層中，電子濃度已達(dá)到原先的空穴且在形成的反型層中，電子濃度已達(dá)到原先的空穴濃度這樣的反型層就是強(qiáng)反

13、型層。顯然，耗盡層厚濃度這樣的反型層就是強(qiáng)反型層。顯然，耗盡層厚度不再增加，度不再增加，CSi也不再減小。這樣，也不再減小。這樣， 就達(dá)到最小值就達(dá)到最小值Cmin。 最小的最小的CSi是由最大的耗盡層厚度是由最大的耗盡層厚度Xpmax計算出來的。計算出來的。oxSioxSiCCCCCMOS電容電容耗盡層電容特性耗盡層電容特性(續(xù)續(xù))16東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/65當(dāng)當(dāng)Vgs繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加，來自柵極繼續(xù)增大，反型層中電子的濃度增加，來自柵極正電荷的電力線，部分落在這些電子上，落在耗盡層束正電

14、荷的電力線，部分落在這些電子上，落在耗盡層束縛電子上的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將增大?？`電子上的電力線數(shù)目就有所減少。耗盡層電容將增大。兩個電容串聯(lián)后，兩個電容串聯(lián)后，C將增加。當(dāng)將增加。當(dāng)Vgs足夠大時，反型層足夠大時，反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用，全部的電力線落中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用，全部的電力線落在電子上。這時，反型層中的電子將成為一種鏡面反射，在電子上。這時，反型層中的電子將成為一種鏡面反射，感應(yīng)全部負(fù)電荷，于是，感應(yīng)全部負(fù)電荷，于是，C = Cox 。電容曲線出現(xiàn)了凹。電容曲線出現(xiàn)了凹谷形，如圖谷形，如圖6.2 。 必須指出，上述討論未考慮到反型層中的電子

15、是哪必須指出，上述討論未考慮到反型層中的電子是哪里來的。若該里來的。若該MOS電容是一個孤立的電容，這些電子只電容是一個孤立的電容，這些電子只能依靠共價鍵的分解來提供，它是一個慢過程，能依靠共價鍵的分解來提供，它是一個慢過程，ms級。級。17東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6若測量電容的方法是逐點測量法一種慢進(jìn)程，那么將測量到這種凹谷曲線。 圖 5.218東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n若測量電容采用高頻方法，譬如，掃頻方法，電壓變化很

16、快。共價鍵就來不及瓦解，反型層就無法及時形成，于是，電容曲線就回到Cox值。n然而，在大部分場合，MOS電容與n+區(qū)接在一起，有大量的電子來源，反型層可以很快形成，故不論測量頻率多高，電壓變化多快，電容曲線都呈凹谷形。19東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6MOS電容C僅僅是柵極對襯底的電容，不是外電路中可以觀察的電容Cg， Cs 和Cd。MOS電容C對Cg，Cd有所貢獻(xiàn)。在源極和襯底之間有結(jié)電容Csb，在漏極和襯底之間也有結(jié)電容Cdb。 另外，源極耗盡區(qū)、漏極耗盡區(qū)都滲進(jìn)到柵極下面的區(qū)域。又，柵極與漏極擴(kuò)散區(qū)，柵極與

17、源極擴(kuò)散區(qū)都存在著某些交迭，故客觀上存在著Cgs和Cgd。當(dāng)然，引出線之間還有雜散電容，可以計入Cgs和Cgd。圖 5.320東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6Cg、Cd的值還與所加的電壓有關(guān):1若VgsVT，溝道建立，MOS管導(dǎo)通。MOS電容是變化的，呈凹谷狀，從Cox下降到最低點，又回到Cox。這時，MOS電容C對Cg，Cd都有貢獻(xiàn)，它們的分配取決于MOS管的工作狀態(tài)。21東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n 若處于非飽和狀態(tài)，則按1/

18、3與2/3分配，即n Cg = Cgs + 2/3Cn Cd = Cdb +1/3C n 那是因為在非飽和狀態(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流為n 由Vgs和Vds的系數(shù)可知柵極電壓Vgs對柵極電荷的影響力，與漏極電壓Vds對柵極電荷的影響力為2:1的關(guān)系，故貢獻(xiàn)將分別為 2/3與1/3 。dsdsTgsoxdsVVVVLWtI2122東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6n 若處于飽和狀態(tài)，那么n 表明溝道電荷已與Vds無關(guān)，溝道已夾斷。那么，n Cg = Cgs + 2/3 C， Cd = Cdb + 0n 在飽和狀態(tài)

19、下，溝道長度受到Vds的調(diào)制，L變小2ds21TgsoxVVLWtI2ds21TgsoxVVLLWtI23東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6 當(dāng)Vds增加時，L增大，Ids增加，那是因為載流子速度增加了，它與C的分配無關(guān)。然而，L的增大使得漏極耗盡層寬度有所增加，增大了結(jié)電容。故， Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb24東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容(數(shù)據(jù))Cap.N

20、+Act.P+Act.PolyM1M2M3UnitsArea (sub.)5269378325108aF/um2Area (poly)541811aF/um2Area (M1)46 17aF/um2Area (M2)49aF/um2Area (N+act.)3599aF/um2Area (P+act.)3415aF/um2Fringe (sub.)249261aF/um25東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6深亞微米CMOS IC工藝的寄生電容(圖示)PolyPolyElectrodeMetal1Metal2PolyP

21、+P+P+N+N+Metal3N_wellSUB88013832213109514503452648159864463614308363214086734123517383929625762Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology26東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6閾值電壓是MOS器件的一個重要參數(shù)。按MOS溝道隨柵壓正向和負(fù)向增加而形成或消失的機(jī)理，存在著兩種類型的MOS器件：耗盡型(Depletion)：溝道在Vgs=0時已

22、經(jīng)存在。當(dāng)Vgs“負(fù)到一定程度時截止。一般情況，這類器件用作負(fù)載。增強(qiáng)型(Enhancement)：在正常情況下它是截止的，只有當(dāng)Vgs“正到一定程度，才會導(dǎo)通，故用作開關(guān)。27東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6VT的組成的組成= 概念上講, VT就是將柵極下面的Si表面從P型Si變?yōu)镹型Si所必要的電壓。 它由兩個分量組成, 即:= VT= Us+ Vox= Us : Si表面電位; = Vox: SiO2層上的壓降。圖 5.528東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研

23、究究 所所 2022/2/6n 將柵極下面的Si表面從P/N型Si變?yōu)镹/P型Si所必要的電壓Us 與襯底濃度Na有關(guān)。n 在半導(dǎo)體理論中，P型半導(dǎo)體的費米能級是靠近滿帶的，而N型半導(dǎo)體的費米能級則是靠近導(dǎo)帶的。要想把P型變?yōu)镹型，外加電壓必須補(bǔ)償這兩個費米能級之差。n 所以有:iabpSnNqkTqUln22圖 5.429東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6Vox根據(jù)右圖從金屬到氧化物到Si襯底Xm處的電場分布曲線導(dǎo)出:aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln40XMOS-toxXmEoxE0ExmE(X)3

24、0東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6aiaSioxaiaoxsTNqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2VT的理想計算公式的理想計算公式 在工藝環(huán)境確定后，MOS管的閾值電壓VT主要決定于： 1. 襯底的摻雜濃度Na。 2. Cox31東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6前面的推導(dǎo)都假設(shè)源極和襯底都接地，認(rèn)為Vgs是加在柵極與襯底之間的。實際上，在許多場合，源極與襯底并不連接在一起。通常，襯底是接地的，但源極未必接地,源極不接地時對

25、VT值的影響稱為體效應(yīng)(Body Effect)。圖 5.632東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/633東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/65.4 MOSFET的溫度特性的溫度特性MOSFET的溫度特性主要來源于溝道中載流子的遷移率 和閾值電壓VT隨溫度的變化。載流子的遷移率隨溫度變化的基本特征是： T 由于所以， T gm閾值電壓VT的絕對值同樣是隨溫度的升高而減?。篢 VTVT(T) (2 4) mV/CVT的變化與襯底的雜質(zhì)濃度Ni和氧化

26、層的厚 度tox有關(guān)： (Ni , tox) VT(T) Tgsoxm VVLWtg34東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/65.5 MOSFET的噪聲的噪聲MOSFET的噪聲來源主要由兩部分： 熱噪聲(thermal noise) 閃爍噪聲(flicker noise，1/f-noise) 35東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6MOSFET的噪聲的噪聲(續(xù)續(xù))n 熱噪聲是由溝道內(nèi)載流子的無規(guī)則熱運動造成 的，通過溝道電阻生成熱噪聲電壓 veg

27、(T，t)，其等效電壓值可近似表達(dá)為n Df為所研究的頻帶寬度, T是絕對溫度.n 設(shè)MOS模擬電路工作在飽和區(qū), gm可寫為n 所以，n 結(jié)論：增加MOS的柵寬和偏置電流，可減小器件的熱噪聲。fgTvm2eg32DSoxm2ILtWg2eg vW2eg vIds36東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6閃爍噪聲(flicker noise，1/f -noise)的形成機(jī)理：溝道處SiO2與Si界面上電子的充放電而引起。 閃爍噪聲的等效電壓值可表達(dá)為K2是一個系數(shù)，典型值為31024V2F/Hz。由于 1，所以閃爍噪聲被

28、稱之為1/f 噪聲。1)時, 電路指標(biāo)變化。Parameter 參參數(shù)數(shù) 變變化化因因子子 備備注注 Voltage 電電壓壓 1/ Circuit density 電電路路密密度度 2 L W Device current 器器件件電電流流 1/ Power 功功率率 1/ 2 Ids Vds Capacitance 電電容容 1/ Delay 溝溝道道延延遲遲 1/ Line resistance 連連線線電電阻阻 Line capacitance 連連線線電電容容 1/ Line response time 連連線線響響應(yīng)應(yīng)時時間間 1 RL CL Figure of merit 0 優(yōu)

29、優(yōu)值值 2 1/L2 50東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6MOSFET特征尺寸按(1)縮減的眾多優(yōu)點：電路密度增加2倍 VLSI, ULSI功耗降低2倍器件時延降低倍 器件速率提高倍線路上的延遲不變優(yōu)值增加2倍 這就是為什么人們把MOS工藝的特征尺寸做得一小再小，使得MOS電路規(guī)模越來越大，MOS電路速率越來越高的重要原因。51東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6 隨著MOS工藝向著亞微米、深亞微米的方向發(fā)展，采用簡化的、只考慮一階效應(yīng)的M

30、OS器件模型來進(jìn)行電路模擬，已經(jīng)不能滿足精度要求。此時必須考慮二階效應(yīng)。二階效應(yīng)出于兩種原因：1) 當(dāng)器件尺寸縮小時，電源電壓還得保持為5V，于是，平均電場強(qiáng)度增加了，引起了許多二次效應(yīng)。2) 當(dāng)管子尺寸很小時，這些小管子的邊緣相互靠在一起，產(chǎn)生了非理想電場，也嚴(yán)重地影響了它們的特性。下面具體討論二階效應(yīng)在各方面的表現(xiàn)。52東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6在一階理論的設(shè)計方法中，總認(rèn)為L、W是同步縮減的，是可以嚴(yán)格控制的。事實并非如此，真正器件中的L、W并不是原先版圖上所定義的L、W。原因之一在于制造誤差，如右圖所

31、示；原因之二是L、W定義本身就不確切，不符合實際情況。圖 5.953東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6 通常，在IC中各晶體管之間是由場氧化區(qū)field oxide來隔離的。在版圖中，凡是沒有管子的地方，一般都是場區(qū)。場是由一層很厚的SiO2形成的。多晶硅或鋁線在場氧化區(qū)上面穿過，會不會產(chǎn)生寄生MOS管呢？不會的。因為MOS管的開啟電壓為， 對于IC中的MOS管，SiO2層很薄，Cox較大，VT較小。對于場區(qū)，SiO2層很厚，Cox很小，電容上的壓降很大，使得這個場區(qū)的寄生MOS管的開啟電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源電壓，即VTF

32、VDD。這里寄生的MOS管永遠(yuǎn)不會打開，不能形成MOS管(如圖5.9b)。FPSaSioxFPFBTUqNCVV221254東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6另外，人們又在氧化區(qū)的下面注入稱為場注入?yún)^(qū)field implant的P+ 區(qū)，如下圖所示。這樣，在氧化區(qū)下面襯底的 Na值 較大，也提高了寄生 MOS 管的開啟電壓。同時，這個注入?yún)^(qū)也用來控制表面的漏電流。如果沒有這個P+注入?yún)^(qū)，那么，兩個MOS管的耗盡區(qū)很靠近，漏電增大。由于P+是聯(lián)在襯底上的，處于最低電位，于是，反向結(jié)隔離性能良好，漏電流大大減小。 結(jié)論:

33、 所以，在實際情況中，需要一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū)，給工藝制造帶來了新的問題。圖 5.10場注入場注入55東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6 制造步驟：先用有源區(qū)的mask，在場區(qū)外生成一個氮化硅的斑區(qū)。然后，再以這個斑區(qū)作為implant mask，注入P+區(qū)。最后，以這個斑區(qū)為掩膜生成氧化區(qū)。然而，在氧化過程中，氧氣會從斑區(qū)的邊沿處滲入，造成了氧化區(qū)具有鳥嘴形bird beak）。Bird beak的形狀和大小與氧化工藝中的參數(shù)有關(guān)，但是有一點是肯定的，器件尺寸，有源區(qū)的邊沿更動了。器件的寬度不再是版圖上所畫

34、的Wdrawn，而是W， W = Wdrawn2W式中W就是bird beak侵入部分，其大小差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級。當(dāng)器件尺寸還不是很小時，這個W影響不大；當(dāng)器件縮小后，這個W是可觀的，它影響了開啟電壓。56東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6另一方面，那個注入?yún)^(qū)也有影響。由于P+區(qū)是先做好的，后來在高溫氧化時，這個P+區(qū)中的雜質(zhì)也擴(kuò)散了，侵入到管子區(qū)域，改變了襯底的濃度Na，影響了開啟電壓。同時，擴(kuò)散電容也增大了，N+區(qū)與P+區(qū)的擊穿電壓降低。另外，柵極長度L不等于原先版圖上所繪制的Ldrawn，也減小了，如

35、下圖。Ldrawn是圖上繪制的柵極長度。L f i n a l 是 加 工 完 后 的 實 際 柵 極 長 度 。 L f i n a l = Ldrawn2Lpoly57東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6=尺寸縮小的原因是在蝕刻etching過程中，多晶硅Ploy被腐蝕掉了。=另一方面，擴(kuò)散區(qū)又延伸進(jìn)去了，兩邊合起來延伸了2Ldiff，故溝道長度僅僅是，= L = Ldrawn2Lpoly2Ldiff=這2Ldiff是重疊區(qū)，也增加了結(jié)電容。= Cgs = WLdiffCox= Cgd = WLdiffCox=式中

36、Cox是單位面積電容。58東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6 眾所周知，MOS管的電流與遷移率成正比。在設(shè)計器件或者計算MOS管參數(shù)時，常常假定是常數(shù)。而實際上，并不是常數(shù)。從器件的外特性來看，至少有三個因素影響值，它們是：溫度T，垂直電場Ev，水平電場Eh。1） 特征遷移率0 0與制造工藝密切相關(guān)。它取決于表面電荷密度，襯底摻雜和晶片趨向。0還與溫度T有關(guān)，溫度升高時，0就降低。如果從25增加到100，0將下降一半。因此，在MOS管正常工作溫度范圍內(nèi)，要考慮0是變化的。59東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與

37、光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/62） 遷移率的退化的第二個原因：還有電場強(qiáng)度 通常，電場強(qiáng)度E增加時，是減小的。然而，電場E有水平分量和垂直分量，因此將隨Ev，Eh而退化。通常，可以表示為， = 0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd)其中，0(T)是溫度的函數(shù)， 0(T) = kT M于是， 在半導(dǎo)體Si內(nèi)，M=1.5，這是Spice中所用的參數(shù)。但在反型層內(nèi)NMOS管），M=2，所以，一般認(rèn)為，M值是處在1.52之間。0的典型值為，N溝道MOS管 ，0 = 6 0 0 c m 2 / VS ； P 溝 道 M O S 管 ，0=250cm2/VS。式中fv是垂直電場的退化函數(shù)；fh是水平電場的退化函數(shù)。 MTTTT12102060東東 南南 大大 學(xué)學(xué) 射射 頻頻 與與 光光 電電 集集 成成 電電 路路 研研 究究 所所 2022/2/6 通常，fv采用如下公式， 式中，Vc是臨界電壓，Vc=ctox，c是臨界電場，c=2105 V/cm 。垂直值退化大約為25%50%。 水平電場對的影響，比垂直電場大得多。因為水平電場將加速載流子運動。當(dāng)載流子速度被加速到一個大的數(shù)值，水平速度會飽和。一般來講，N型Si的0遠(yuǎn)大于P型Si的0。然而，這兩種載流子的飽和速度是相同的。 對于一個高性能器件來說，載流子是以最高速度，