諶婧嬌， 陳軍寧， 高 珊

（安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對設(shè)備的使用溫度提出了越來越高的要求，在一些特殊領(lǐng)域，常常要求檢測和控制設(shè)備能在超過室溫數(shù)倍的溫度狀態(tài)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(tǒng)微型化和實用化帶來諸多不便，因此研究高溫微電子學(xué)，設(shè)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(xué)的研究領(lǐng)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(jì)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(jié)泄漏電流、跨導(dǎo)和轉(zhuǎn)移特性在寬溫區(qū)隨溫度變化的實驗結(jié)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(dǎo)、優(yōu)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(yōu)良的頻率特性、對短溝道效應(yīng)的較強抑制性能、較小的寄生效應(yīng)、較強的抗輻射能力等特點［4－5］。

薄膜雙柵MOSFET的性能優(yōu)越，應(yīng)用前景廣闊。然而在功率集成電路設(shè)計中，器件的功耗較大，散熱困難。如果不考慮溫度效應(yīng)，設(shè)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(yīng)研究十分必要。

薄膜雙柵MOSFET具有眾多優(yōu)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(qū)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(yīng)的體現(xiàn)［6］，它的作用反映在載流子分布的擴展與載流子數(shù)量的增加。

圖1 對稱薄膜雙柵MOSFET結(jié)構(gòu)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(qū)，薄膜雙柵MOSFET發(fā)生體反型現(xiàn)象。體內(nèi)載流子輸運對漏源電流的貢獻較大，發(fā)揮了體內(nèi)載流子遷移率較大的優(yōu)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(fā)展。在閾值電壓區(qū)，由于柵電壓較大，使得載流子大量聚集在硅膜表面，而體內(nèi)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(qū)，根據(jù) QM模型［7］，采用文獻［8］提出的基于反型層質(zhì)心位置且與體硅單溝道MOSFET相似的亞閾值區(qū)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(zhì)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(zhì)心。在亞閾值區(qū)，器件處于強體反型時，載流子集中于硅膜中部，反型層質(zhì)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(zhì)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(shù)；T為熱力學(xué)溫度；Dn為體擴散系數(shù)，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(guān)的各因子對溫度求導(dǎo)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(shù)增加，而當(dāng)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(chǔ)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(dǎo)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(dǎo)，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(jié)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(qū)后，反型層質(zhì)心十分接近硅膜表面，硅膜中心的電勢穩(wěn)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(dāng)于2個普通MOSFET的并聯(lián)，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(xué)波散射和電離雜質(zhì)散射的影響［12］。其中，μs、μi為聲學(xué)波和雜質(zhì)電離散射的影響；Ni為摻雜濃度；m＊為電子有效質(zhì)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(dāng)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(shù)量級。

圖8 飽和電流隨溫度的變化

2 結(jié)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(yīng)的如下結(jié)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(shù)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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