热载流子效应的模型特性及衬底、栅电流关系解析

由于沟道越来越短，栅氧化层越来越薄，而电源电压又要保持5V标准，结果使沟道内的横向和纵向电场大大加强。横向强电场使导电载流子加速，并获得高能量，这些高能量的载流子即为热载流子。它们在强纵向栅场作用下越过Si/SiO2，势垒进入SiO2中，使栅氧化层中的电荷发生变化，造成开启电压的漂移，引起器件特性不稳定。

同时，部分高能载流子与晶格碰撞，产生电子空穴对，如图2.8所示。空穴为衬底所收集，产生衬底电流会影响衬偏VBS，由此也会影响器件的特性。

基于上述原因，克服热电子效应成为短沟VLSI器件结构设计的关键，也是VLSI器件物理研究的重点之一。

一、热电子流

热电子流是指由于热电子效应产生的非正常电流，它包括如下几种流：

1、衬底电流由热电子与晶格之间碰撞电离所引起，它的经验表达式为：

其中IDS为漏端电流，Em为沟道中最大的电场强度，和为与碰撞电离有关的系数。实验测得：

2、栅电流 其经验公式如下：

其中C2是与表面纵向电场Eox有关的系数，λ是沟道热电子的平均自由路程，是Si/SiO2的势垒高度，就是热电子渡越势垒的几率。本身与Eox也有关，随Eox加大，势垒下降。

3、少子电流In 这是沟道向衬底注入的少子电流。产生In的原因有两种解释。一种是认为由于存在较大的Isub使S区pn结处于正偏，由此引起少子向衬底的注入。但是一般情况下这种可能性不大，因为如图2.8所示，要使S区pn结区处于正偏，Isub必须相当大。另一种认为比较合理的解释是由热沟道载流子释放出光子，光子射入衬底激发少子，如图2.8所示。这些少子能为附近的n⁺区所收集，造成这些动态结点的电平衰退而引起失效。因此，In也同样会给器件造成危害。

实验的结果为：

其中1.3eV可认为是热电子产生光子的平均能量，为热电子在电场作用获得的能量，单位为eV。

Isub、Ig和Im出于同一起源，因此它们之间的数值是相互关联的。由于Isub>Ig及In，为了监测方便，一般用Isub来间接推出Ig及In。

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