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詳解MOS管閾值電壓與溝長(zhǎng)和溝寬的關(guān)系及影響閾值電壓的因素-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-07-22 

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詳解MOS管閾值電壓與溝長(zhǎng)和溝寬的關(guān)系及影響閾值電壓的因素

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(duì)應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓。在描述不同的器件時(shí)具有不同的參數(shù)。如描述場(chǎng)發(fā)射的特性時(shí),電流達(dá)到10mA時(shí)的電壓被稱為閾值電壓。


MOS管閾值電壓與溝長(zhǎng)和溝寬的關(guān)系

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

MOS管,MOSFET,閾值電壓


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

MOS管,MOSFET,閾值電壓


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。


影響閾值電壓的因素

一個(gè)特定的晶體管的閾值電壓和很多因素有關(guān),包括backgate的摻雜,電介質(zhì)的厚度,柵極材質(zhì)和電介質(zhì)中的過(guò)剩電荷。


1、背柵的摻雜

背柵(backgate)的摻雜是決定閾值電壓的主要因素。如果背柵摻雜

越重,它就越難反轉(zhuǎn)。要反轉(zhuǎn)就要更強(qiáng)的電場(chǎng),閾值電壓就上升了。MOS管的背柵摻雜能通過(guò)在介電層表面下的稍微的implant來(lái)調(diào)整。


2、電介質(zhì)

電介質(zhì)在決定閾值電壓方面也起了重要作用。厚電介質(zhì)由于比較厚而削弱了電場(chǎng)。所以厚電介質(zhì)使閾值電壓上升,而薄電介質(zhì)使閾值電壓下降。


3、柵極的物質(zhì)成分

柵極(gate)的物質(zhì)成分對(duì)閾值電壓也有所影響。如上所述,當(dāng)GATE和BACKGATE短接時(shí),電場(chǎng)就施加在gate oxide上。


4、介電層與柵極界面上過(guò)剩的電荷

GATE OXIDE或氧化物和硅表面之間界面上過(guò)剩的電荷也可能影響閾值電壓。這些電荷中可能有離子化的雜質(zhì)原子,捕獲的載流子,或結(jié)構(gòu)缺陷。電介質(zhì)或它表面捕獲的電荷會(huì)影響電場(chǎng)并進(jìn)一步影響閾值電壓。如果被捕獲的電子隨著時(shí)間,溫度或偏置電壓而變化,那么閾值電壓也會(huì)跟著變化。


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