Feldeffekttransistoren

Transkript

1 Feldeffekttransistoren JFET MOSFET Kanalwiderstand: R K L A Fläche Leitfähigkeit Seite 1

2 MOSFET Seite 2

3 Bandverbiegung p-substrat n-substrat Verarmung Inversion Seite 3

4 Poisson-Gleichung (1D) 2 d e n ( y) ( y) i e x p e x p 2 d y U U 0 s 0 s T T i N n A E U N T s b s b s ig n ( ) 2 c o s h c o s h L U U U 2 n s s b D ì T T T i A 1 / 2 oder mit: N A 2 n i sinh U b T Intrinsische Debye-Länge: L Di U 0 s 2en i T Seite 4

5 OF-Feldstärke s (V) Seite 5

6 OF-Feldstärke Seite 6

7 OF-Feldstärke und Ladung im HL E s ( V / cm ) s (V) N A (cm -3 ) accumulation E s < 0 depletion E s > 0 Q tot ( As / cm 2 ) inversion E s > Q " s (V) E to t 0 s s N A (cm -3 ) Seite 7

8 Näherungen 1 / 2 1 / 2 U N 2eN b L U n D i T i 0 s T b A A Verarmung: E ( ) Anreicherung: Inversion: E E U T b ( ) e x p 1 L U D T 1 / 2 U 2 T b b ( ) e x p 1 L U U D T T 1 / 2 L D U 0 s 2eN A T nahe Flachband: E ( ) s ig n s b U T 2 L D s U T b Seite 8

9 Zweite Integration Verarmung: d d y e N 0 A s y L e N A b 2 0 s y L 2 max. Verarmunglänge: l L fü r u n d y 0 d e p s b l d e p s e N A b Anreicherung: y c h L D Inversion: y ch L D 2 b U T ln 8 U T b Seite 9

10 Differentielle Kapazität C " s " d Q d E ( ) to t s s 0 s d d E ( ) s s s E s ( V / cm ) N A =10 16 cm -3 Es Cs C " s ( F / cm2 ) N A (cm -3 ) s (V) s (V) Seite 10

11 Differentielle Kapazität Flachbandkapazität: C " s 0 F B 0 s d E s d 2 L s D minimale Kapazität für: s b Verarmung: 2eN A E s s b 0 s 1 / 2 d E e N s A d 2 S 0 s s b 1 / 2 C " s 0 m in 0 s d E d s l d e p s Seite 11

12 Spannungsbilanz eu FB c i E Vak F M F s E G E C EV E F Seite 12

13 Spannungsbilanz ' U U U U G S F B G S o x s b ohne GF-Ladung: U E d E E o x o x o x o x o x s s E S E o x o x o x U ' G S s b s s o x d U N T s b s b s ig n 2 c o s h c o s h s b L U U U 2 n D T T T i A 1 / 2 Seite 13

14 Grafische Lösung Seite 14

15 Grafische Lösung Seite 15

16 Numerische Lösung für verschiedene N A s (V) d ox =10nm N A (cm -3 ) U GS (V) Seite 16

17 Numerische Lösung für verschiedene d ox N A =10 16 cm -3 s (V) - b 0.0 b -0.4 d ox (nm) U GS (V) Seite 17

18 Näherungen Anreicherung: U ' U d T s o x b s e x p 1 L o x D U T G S s b 0 U p 1 / 2 ' U GS U ln 1 U p s b T 2 Inversion: U e x p 1 L U U ' U d 2 T s o x b s b G S s b 2 b o x D T T 1 / 2 ' 2 U 2 b G S b U ln 1 U U T p s T b 2 Seite 18

19 Näherungen Verarmung: U ' 2e 1 / 2 N 2eN A s b A 0 s d s o x o x 0 s C o x G S s b " s b a 1 / U ' a a ' U a 2 4 s b G S G S Seite 19

20 Vergleich N A =10 16 cm -3 d ox =10nm s (V) numerisch Näherung U GS (V) Seite 20

21 Ideale MIS-Struktur Banddiagramm Ladungsverteilung in Inversion Seite 21

22 MIS-Kapazität C''MOS / C'' ox N A =10 16 cm -3 d ox (nm) C''MOS / C'' ox d x =10nm N A (cm -3 ) U' GS / V U' GS / V Seite 22

23 Seite 23

24 MIS-Kapazität Seite 24

25 MIS-Kapazität bei f=6khz Seite 25

27 MIS-Kapazität bei f=1mhz Seite 27

28 MIS-Kapazität des p-hl V FB =0 a) low frequency b) intermadiate frequency c) high frequency d) high frequency (deep depl.) Seite 28

29 Reale MOS-Struktur Seite 29

30 Einfluss der festen GF-Ladung p-hl n-hl Seite 30

31 Trapladung im Oxid Banddiagramm Ladungsverteilung in Inversion Seite 31

32 GF-Traps Besetzungsfunktion: donatorisches Trap: f d o n ( E ) td 1 1 g e x p d E F E k T td akzeptorisches Trap: f a c c ( E ) ta e x p g a E ta k T E F Seite 32

33 Einfluss der GF-Traps Seite 33

35 MOSFET S G D I f ( U, U ) fü r U 0 D G S D S S B n + x n + y p-si y I w J ( x, y )d y D 0 i n y i d '' d F n F n I w e n ( x, y ) d y w Q ( x ) D n n dx dx 0 '' F lä c h e n la d u n g : Q ( x ) e n ( x, y ) d y y i 0 Seite 35

36 Bändermodell und Ladungsverteilung in Inversion Gleichgewicht Nichtgleichgewicht nahe Drain Seite 36

37 Flächenladung Annahmen: GCA (gradual channel approximation) l dep unabhängig von x e N l '' '' A d e p Q ( x ) C (0 ) ( ) o x U U x G S F B s b '' F n C ox (0 ) ( U ) 2 s b s G S b e '' '' N l A d e p Q ( x ) C ( 2 ) ( ) o x U U x G S F B b '' F n C ox '' '' Q ( x ) C U U ( x ) o x G S th F n Seite 37

38 Einfachste Shockley-Gleichung I D 2 '' U DS w C ( U U ) U, U U U L 2 o x G S th D S D S G S th w 2 '' ( U U ) G S th C, U U U o x D S G S th L 2 I D ' 2 I 1 D I ' D w L C '' ox ( U U ) G S 2 th 2 u n d = U DS 1 U U G S th, U U U 0, U U U D S G S th D S G S th Seite 38

39 Beweglichkeit in Abhängigkeit vom senkrechten Feld Seite 39

40 Einfluss des lateralen Feldes µ v ( E ) µ E µ ( E ) 1/ n 1 ( E / E ) s a t n Seite 40

41 Einfluss des lateralen Feldes Seite 41

42 Kennliniengleichung µ '' d I w C U ( x ) D o x G S e ff F n 1 d Fn d x 1 E d x I D S I d x d w µ C U ( x ) d L U D S U D '' s a t D F n o x G S e ff F n F n E s a t Fn '' 2 µ ( U ) w C E U G S o x s a t D S I ( ) D U U U G S th D S L E U 2 s a t D S Sättigungsspannung: 2 ( U U ) G S th U E L 1 1 D S a t s a t E L s a t Seite 42

43 µ=const. µ=f(e ) Seite 43

44 Zunahme der RLZ linearer Bereich Einsatz Sättigung Sättigungsbereich Seite 44

45 Inversionsladung '' '' e N 2 2 U ( x) A 0 s b S B F n Q ( x ) C U U 2 ( x ) o x G S F B b '' F n C e N o x A Schwellspannung U U 2 th F B b e N C '' o x A s b S B e N A U Seite 45

46 Drainstrom w '' U 2 2e D S N A 0 s I C ( 2 ) D o x U U U G S F B b D S '' 2 L 2 3 C ox 2 / 3 2 / 3 ( 2 U U ) ( 2 U ) b S B D S b S B Abschnürspannung (Pinch-off): '' 2 en 2C A 0 s o x U U U ( ) P G S F B b U U U '' 2 G S F B S B C e N o x A 0 s Seite 46

47 S/D-Kontaktwiderstand ' U U I R U U I ( R R ) G S G S D S D S D S D S D ' Seite 47

48 S/D-Kontaktwiderstand I D w µ C '' U U o x G S e ff D S '' L w µ C R U o x S D G S e ff U 2 DS 2 U 2 DS A n n a h m e : ' U U I K U U G S G S D G S e ff D S ' I D '' w µ C U U o x G S e ff D S L w µ C R U '' o x S D G S e ff Seite 48

49 Subthresholdstrom I D 2 w 2 e N n U A 0 s i s b D S U e x p 1 e x p T L 2 ( ) N U U s b A T T Diffusion Drift Seite 49

50 Temperatureinfluss Subthresholdanstieg U th und µ Seite 50

51 Kurzkanaleffekte Langkanal Kurzkanal Seite 51

52 Schmalkanaleffekte LOCOS (local oxidation of silicon) STI (shallow-trench-isolated) Seite 52

53 Kurzkanaleffekte U DS > 0 U DS = 0 Seite 53

54 Kurzkanaleffekte e N d r A B j 2 y 2 y s d U th '' 2 C L r r o x j j y s 2 ( U ) 2 ( U U ) 0 s D s 0 s D s D S u n d y d e N e N A A Seite 54

55 Schmalkanaleffekte LOCOS STI U e N d d U 2 1 '' C 2 w th F B b A B B ox U U 2 th F B b '' B C w L 2 C o x Q F C F 2 L 2d 0 s ln d F o x ox Seite 55

56 Kurzkanaleffekte TKL U th Seite 56

57 Kurzkanaleffekte N A =10 15 cm -3 N A =10 14 cm -3 Seite 57

58 Drain-induced barrier lowering (DIBL) Seite 58

59 Punch-Through-Effekt OF-Puch-Through Bulk-Puch-Through Seite 59

60 Stromkomponenten bei hohen Feldern Seite 60

61 Drain-, Gate und Substratstrom lightly doped drain(ldd) n + /n Seite 61

62 Skalierung Seite 62

63 Kapazitätsanteile Seite 63

64 Intrinsische Kapazitäten ( U U ) ( U U ) 2 1 G S th G D th Q C C G o x 2 2 o x 3 ( U U ) ( U U ) 3 1 G S th G D th C g s Q U G S U, U, U G D B C o x 2 3 (1 ) C g d Q U G D U, U, U G S B 2 2 C o x 2 3 (1 ) 2 U C 2 ox 0 ( 1) : C C U U ( 0 ) : C C C g s g d g s o x g d 2 3 D S D S D s a t 0 Seite 64

65 Intrinsische Kapazitäten C ox =32pF, U th =1.2V C GX (pf) V GS (V) C GX (pf) V DS (V) C gd C gd 0.5 C gs 0.5 C gs V DS (V) V GS (V) Seite 65

66 Kleinsignalersatzschaltbild Seite 66

67 Grenzfrequenz f t G V GS -V th =3V; V DS =1V; d ox =10nm f S R S S D R D fü r: R R R S D R I V V D G S th µv T 2 w 2 L ( L L ) 1 µ C 2 R ( V V ) o L is G S th L D DS cutoff frequency (Hz) channel lenght (µm) L par (µm) R() Seite 67

68 CMOS V DD V out S p-kanal V DD V in D D S V out n-kanal V DD V in Seite 68

69 BiCMOS Seite 69

70 CMOS T1 T2 vertikale T2: n + (Source) p(wanne) n(substrat) laterale T1: p(wanne) n(substrat) p + (Source) Seite 70

71 CMOS-SOI-Technologie Seite 71

72 Bulk MOSFET SOI S G D S G D n + n + p-si s sb bs n + n + p-si p-si d GOX d Si d BOX B floatend B Q " to t 0 s s '' Q en l E B A d e p E sb " Q ( E E ) to t 0 s s s b dicke Schicht dünne Schicht 0 E sb 0 '' Q en l B A d e p '' Q en d B A S i Seite 72

73 SOI dicke Schicht dünne Schicht l dep f l dep b l dep f l dep b Seite 73

74 SOI E U U U U T s ig n ( ) 2 c o s h c o s h s in h L U U U U D T T T T b s b s b 2 b s G B b 2 G B b s b 2 b 2 G B 1 / 2 E s ig n E 2 U 2 T s b s s b s b 1 ( ) 2 c o s h c o s h s in h s s s b s b L U U U U D T T T T 1 / 2 E E E s b b s B O X d o x o x b s s b s s B O X d S i m in sb d d s ig n ( ) m it E ( ) 0 s m in m in E ( ) E ( ) s m in Seite 74

75 SOI Spannungsbilanz: U U U U U G S F B f G O X s sb S B G O X s b 1 U S B b 1 s b U U U U G B F B b B O X b s b 2 S B Seite 75

76 SOI Seite 76