對稱薄膜雙柵MOSFET溫度特性的研究

諶婧嬌， 陳軍寧， 高 珊

（安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

科學技術和工業生產的發展對設備的使用溫度提出了越來越高的要求，在一些特殊領域，常常要求檢測和控制設備能在超過室溫數倍的溫度狀態下運行。雖然采用冷卻裝置可以使室溫下工作的器件和電路適用于高溫情況，但這給系統微型化和實用化帶來諸多不便，因此研究高溫微電子學，設計制造高溫微電子器件和集成電路是十分必要的。

在高溫微電子學的研究領域，首選研制的是高溫硅器件和集成電路。國外這方面的工作開展得較早，1965年就有體硅高溫微電子器件的研究報道，到20世紀80年代國外已將高溫MOS器件的工作溫度擴展到300℃左右［1－2］。文獻［3］研究了普通MOS器件的高溫特性，給出了閾值電壓、漏結泄漏電流、跨導和轉移特性在寬溫區隨溫度變化的實驗結果。

薄膜雙柵MOSFET是一種新型高速低耗MOSFET。與體硅MOSFET相比，雙柵MOSFET具有較高的跨導、優良的亞閾值斜率特性、較高的載流子遷移率、較短的延遲時間、優良的頻率特性、對短溝道效應的較強抑制性能、較小的寄生效應、較強的抗輻射能力等特點［4－5］。

薄膜雙柵MOSFET的性能優越，應用前景廣闊。然而在功率集成電路設計中，器件的功耗較大，散熱困難。如果不考慮溫度效應，設計出的電路將無法正常工作，因此開展薄膜雙柵MOSFET的溫度效應研究十分必要。

薄膜雙柵MOSFET具有眾多優越性能的主要原因是其具有上下2個柵極，如圖1所示。上下柵對溝道區域有更好的控制能力以及薄硅膜引入的體反型機制，即載流子不再僅限于溝道表面運動，它們將分布于整個硅膜中。薄膜雙柵MOSFET體反型的物理解釋是硅膜厚度減少到一定程度時量子效應的體現［6］，它的作用反映在載流子分布的擴展與載流子數量的增加。

圖1 對稱薄膜雙柵MOSFET結構圖

1 理論與仿真

在對薄膜雙柵MOSFET做理論分析時采用分段考慮。在亞閾值區，薄膜雙柵MOSFET發生體反型現象。體內載流子輸運對漏源電流的貢獻較大，發揮了體內載流子遷移率較大的優點。隨著柵壓的增加，體反型逐漸減弱，載流子分布逐漸由中部向表面發展。在閾值電壓區，由于柵電壓較大，使得載流子大量聚集在硅膜表面，而體內反型層載流子濃度并沒有明顯增加。進入強反型條件后，實驗數據表明，薄膜雙柵MOSFET的漏源電流大約只有普通體硅MOSFET的2.05～2.11倍［4］。

現對亞閾值電流、閾值電壓、飽和電流隨溫度變化的情況進行計算分析，并與Medici仿真比較以證明其正確性。

1.1 亞閾值電流

在亞閾值區，根據 QM模型［7］，采用文獻［8］提出的基于反型層質心位置且與體硅單溝道MOSFET相似的亞閾值區反型層電荷與漏源電流的表達式。該表達式形式簡單，包含了薄膜雙柵MOSFET體反型的基本特征且有較高的精度。

反型層質心是指單獨考慮半硅膜時的載流子平均分布位置［9］，因此對稱薄膜雙柵 MOSFET具有2個對稱的反型層質心。在亞閾值區，器件處于強體反型時，載流子集中于硅膜中部，反型層質心位于硅膜中部。

薄膜雙柵MOSFET的亞閾值電流IDS可以由（1）式表達：其中，q為電子電量；xi為體反型質心；W／L為器件的寬長比；為硅膜表面勢；為費米勢；為漏源電壓；k為玻爾茲曼常數；T為熱力學溫度；Dn為體擴散系數，為擴散激活能；ni為本征載流子濃度，ni＝3.9×為硅的禁帶寬度［10］。

將（1）式中與溫度有關的各因子對溫度求導得：

其中，β＝q／kT。由（2）～（4）式可知，各因子都是隨著溫度的升高而增大的，只有（5）式中1－）的值隨著溫度的升高而降低，然而降幅很小，如圖2所示。隨溫度的變化

圖2

亞閾值電流的理論值與仿真值如圖3所示 。從圖3可知，理論值與仿真值基本吻合。隨著溫度的增加，亞閾值電流呈指數增加，而當溫度增到400K之后，增長趨勢逐漸變緩。

圖3 亞閾值電流的理論值與仿真值對比

1.2 閾值電壓

通常對閾值電壓的定義是建立在器件表面能帶彎曲量為2Φf的基礎之上的，這對于體反型機制的薄膜雙柵MOSFET顯然是不合適的。文獻［11］運用跨導最大變化法提取閾值電壓，得到閾值電壓VT表達式為

圖4 ΔΦ隨溫度變化圖

圖5 ）隨溫度變化圖

由此可見，閾值電壓的溫度影響主要來自費米勢Φf和平帶電壓Vfb。對溫度T求導，得閾值電壓隨溫度變化的表達式：

將不同溫度下閾值電壓的Medici仿真值與理論計算結果比較，如圖6所示。

圖6 閾值電壓的理論值與仿真值比較

在300～600K時，閾值電壓隨著溫度的升高幾乎是呈線性減小的，由圖6計算出閾值電壓對溫度的變化率為：

1.3 飽和電流

進入強反型區后，反型層質心十分接近硅膜表面，硅膜中心的電勢穩定在費米勢附近，反型載流子的貢獻主要集中在硅膜表面，相當于2個普通MOSFET的并聯，飽和電流可視為普通MOSFET飽和電流的2倍［4］。

其中，μ為遷移率；Vg為柵電壓；VT為閾值電壓。

從（9）式可看出，飽和電流隨溫度的變化主要受遷移率的影響。硅中的遷移率主要受聲學波散射和電離雜質散射的影響［12］。其中，μs、μi為聲學波和雜質電離散射的影響；Ni為摻雜濃度；m＊為電子有效質量。在摻雜濃度不高的器件中，由于 Ni較小，這項可略去，晶格散射起主要作用，遷移率隨著溫度升高迅速減小。

當溫度升高時，對飽和電流影響最大的是遷移率μ，其隨著溫度的升高而減小，如圖7所示。

圖7 遷移率隨溫度的變化

從圖8可看到，飽和電流隨溫度的升高減小，但是減小的幅度很小，不到1個數量級。

圖8 飽和電流隨溫度的變化

2 結束語

本文分析了溫度對薄膜雙柵MOSFET的閾值電壓、亞閾值電流、飽和電流的影響，并進行了理論計算和模擬仿真，得到了薄膜雙柵MOSFET溫度效應的如下結論：

（1）薄膜雙柵MOSFET的閾值電壓隨著溫度的升高而降低。在300～600K的溫度范圍，閾值電壓隨溫度的變化近似為線性變化，變化率約為－1.4mV／K。

（2）隨著溫度的增加，亞閾值電流呈指數增加。溫度每增加50K，亞閾值電流就增大約10倍。

（3）飽和電流隨著溫度的增加而略微減小。

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