Fisica dei transistor MOS a canale sub-micrometrico

• Corrente di sotto-soglia• Saturazione della velocita' di deriva• Modulazione della velocita' di deriva• Effetti di canale corto: diminuzione di VT con LG

• Effetti di canale stretto: aumento di VT al diminuire di W

• Degradazione dovuta a elettroni caldi• Corrente di substrato e breakdown del MOSFET

Scaling delle dimensioni del MOSFETEvoluzione della struttura del MOSFET con LG<0.25 m

tensione di soglia forte inversione

in sottosoglia, Qn dipende dal potenziale superficiale in modo circa esponenziale:

Correnti di sottosoglia

QkT

qq N q

kTns a

s p

s p

LNMM

OQPP2

2

exp

e j

Correnti di sottosoglia

11

22

Cq N

ox

s a

p

QkT

qq N qV V V y V

kTns a

p

G T C S L

NMM

OQPP2

2

exp( )b g

In sottosoglia, le correnti di diffusione prevalgono su quelle di drift

IkTWQ V

qL

qV

kTDstno n s DS

FHG

IKJ

LNM

OQP

( )exp1

in sottosoglia il transistor MOSFET approssima il transistor bipolare ! ! !

Correnti di sottosoglia

IDst~ exp(VGS) - attraverso Qn; indipendente da VDS per VDS>> kT

Drain Induced Barrier Lowering (DIBL)

abbassamento della barriera al source per effetto della tensione di drain

Saturazione della velocita' vE

E E

o y

y c

FH IK

11

//

V E LV V

E L

IC W

L V E LV V V

V

Dsat cG T

c

Dno ox

DS cG T DS

DS

F

HGIKJ

LNMM

OQPP

LNM

OQP

12

1

1 2

1 2

2

b g/

( )( )

Effetti della saturazione della velocita':

•variazione meno che lineare di VDsat con VG-VT

•variazione ancora quadratica di IDsat con VDsat

•corrente piu' bassa che nel modello al primo ordine

Effetto della saturazione della velocita'

sperimentale modello con vsat

modello con costante

Effetto del campo elettrico normale al canale

o

s

o

ox G C

s ox

E V V

x

11

L

NMOQP

b g b g

IC W

L V E L VV V V

VD

no ox

DS c GSG T DS

DS

LNM

OQP

( )

( )1 2

2

Modello del MOS del secondo ordine

Lunghezza effettiva di canale

Riduzione della tensione di soglia nei MOS a canale corto

•VT diminuisce perche' le giunzioni di source e drain "contribuiscono" a creare la regione di svuotamento

Q qx WNL L

fQ

Q

r

L

x

r

V V Vf

CqN V V

d d a

d

d

j d

j

T FB p Sox

s A p S B

11

1

2

1 12

1 1

2 2 2

FHG

IKJ

max

max

e j

Effetti di canale stretto

Q qN WLxx

W

VqN x

C W

dT A dd

TA d

ox

FHG

IKJ

maxmax

max

12

2

2

Effetti di canale stretto

Effetti dovuti ai portatori "caldi"

Breakdown del MOSFET

Punch-through dei MOSFET a canale corto

Scaling della tensione di soglia dei MOSFET