MOSFET-閾值電壓與溝道長(zhǎng)和溝道寬的關(guān)系-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-09-30
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(duì)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(gè) 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(duì)source偏置電壓。如果柵極對(duì)源極偏置電壓小于閾值電壓，就沒(méi)有溝道（channel）。
關(guān)于 MOSFET 的 W 和 L 對(duì)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(jiǎn)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(duì)晶體管的閾值電壓的作用。
Narrow channel 窄溝的分析
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(chǎng)的電力線出現(xiàn)在溝道以外，因此需要更多的柵電壓來(lái)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(duì)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(chǎng)的電力線實(shí)際上是在溝道方向集中，因此會(huì)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
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(lái)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(zhǎng) 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(huì)使得有 reverse short-channel effect 的出現(xiàn)，即隨著 MOSFET 的溝長(zhǎng) L 的減小，閾值電壓會(huì)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(duì)溝長(zhǎng)的變化更為敏感。
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