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复旦大学半导体器件原理讲义L04-小尺寸MOSFET的特性.pdf

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复旦大学半导体器件原理讲义L04-小尺寸MOSFET的特性.pdf
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1/74半导体器件原理主讲人:蒋玉龙本部微电子学楼312室,65643768Email: yljiang@fudan.edu.cnhttp://10.14.3.1212/74第四章小尺寸MOSFET的特性4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4.3 MOSFET的按比例缩小规律3/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14.1.1 MOSFET 的短沟道效应(SCE)1. 阈值电压“卷曲”(VTroll-off)2. 漏感应势垒降低(DIBL)3. 速度饱和效应4. 亚阈特性退化5. 热载流子效应4/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24.1.2 阈值电压“卷曲”(VTroll-off)1. 现象短沟道效应窄沟道效应5/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应34.1.2 阈值电压“卷曲”(VTroll-off)2. 原因长沟道MOSFET短沟道MOSFETsyxxyxερφ ),(),(22−=∂∂syxyyxxyxερφφ ),(),(),(2222−=∂∂+∂∂GCA:0),(22∂∂yyxφp-Si p-Si0),(22=∂∂yyxφ6/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2 阈值电压“卷曲”(VTroll-off)2. 原因2222),(),(),(yyxyxxyxs∂∂−−=∂∂ φερφseffyxερ ),(−≡p-SiAeffANN 1)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⋅+=−=Δ 12122/1max'jjBSBTTTxdLxVVVVV γ()BSBoxoxsVVLt+= 22εεαBSBVVLd+= 2maxγα1oL ↓ F ↓ ΔVT↑2otox↓ ΔVT↓3oNA↓ dmax↑ F ↓ ΔVT↑4oxj↑ ΔVT↑9/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应64.1.2 阈值电压“卷曲”(VTroll-off)3. 电荷分享模型(Poon-Yau)讨论QB’/QB(电荷分享因子F)当VDS 0 时( ) ( )oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5.0++=Δεα211'DSBByyLQQF+−≡= αVDS↑ F ↓ ΔVT↑抑制VTroll-off 的措施:1oxj↓2oNA↑3otox↓4oVBS↓5oVDS↓10/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应74.1.3 反常短沟道效应(RSCE / VTroll-up)1. 现象11/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应84.1.3 反常短沟道效应(RSCE / VTroll-up)2. 原因MOS “重新氧化”(RE-OX)工艺OED:氧化增强扩散12/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应94.1.3 反常短沟道效应(RSCE / VTroll-up)3. 分析( )00exp)( GyQyQfsfs−=单位:[C/cm2]横向分布的特征长度源(漏)端杂质电荷面密度单位:[C]()[]0002exp12GLLCGQoxfs−−=LWCQVoxFST=Δ()[]0002/02exp12)(2 GLWGQdyyQWQfsLfsFS−−=⋅=∫13/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应104.1.4 窄沟道效应(NEW)1. 现象W ↓ VT↑短沟道效应窄沟道效应14/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应114.1.4 窄沟道效应(NEW)2. 边缘耗尽效应BSBBFBTVVVVV +++= 22,γ宽沟oxBCQoxWBSBBFBTCQVVVVV ++++= 22,γ窄沟WddWdQQBW maxmax2max221ππ=⋅=×WQBQWSiO2dmaxxzy¼圆弧:一般地,引入经验参数GWWdGQQWBW max=15/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应124.1.4 窄沟道效应(NEW)3. 三种氧化物隔离结构的NWERaised field-oxide isolation:W ↓ VT↑ LOCOS:W ↓ VT↑STI:W ↓ VT↓ ⎯⎯反窄沟道效应(inverse NWE)16/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应134.1.4 窄沟道效应(NEW)4. 杂质横向扩散的影响杂质浓度边缘高,中间低⇒边缘不易开启⇒随着W ↓ VT↑⎯⎯窄沟道效应17/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应144.1.5 漏感应势垒降低1. 现象L很小时,VDS↑ VT↓DSTDSTVVVV σ−= )0()(DIBL 因子18/744.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应154.1.5 漏感应势垒降低2. 原因(1) 电荷分享⎪⎭⎪⎬⎫⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡
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