SOI-MOS的工作原理和挑战

对于传统的MOS结构，由于导电沟道长度的减小，栅极无法对导电沟道进行较为理想地控制。其一个效果是从漏极和极源造成更多的次阈值泄漏，从功耗的角度看，这是不好的。在传统MOS中，栅极不能控制远离漏极的泄漏路径。这可以通过各种MOS结构来改进，这些结构允许晶体管的缩放超过传统MOS标度限制。目前存在两种新的MOS结构，SOI和FinFET，这两种结构的主要目标是最大化栅极对导电沟道的电容，并将漏极至导电沟道电容最小化。

A、 绝缘硅（SOI）：

传统MOS结构与SOI-MOS结构的主要区别在于SOI器件具有一层埋氧层，它将主体与基体隔离开来，如图2所示。

SOI MOS的制备过程与传统MOS工艺相似，但起始硅片除外。SOI晶片有三层。硅的薄表面层（晶体管形成的地方）。2绝缘材料的底层。3衬底。

图1 SOI晶片

埋氧层的基本思想是，它将降低寄生结电容。寄生电容越小，晶体管的工作速度就越快。提供更高的性能。由于BOX的存在，在远离栅极的地方没有多余的泄漏路径，这会降低功耗。

根据顶部薄硅层在工作过程中的状态，SOI器件分为部分耗尽（PD）SOI和完全耗尽（FD）SOI。与PD-SOI相比，FD-SOI具有非常薄的体结构，因此在工作过程中是完全耗尽的。这种FD-SOI也称超薄体SOI。对于PD-SOI，主体厚度为50nm到90nm。而对于FD-SOI，其体厚约为5nm～20nm。

图2 SOI场效应晶体管的结构

SOI器件的优点：

由于氧化层隔离，漏极和源极的寄生电容减小。因此，与体CMOS相比，该器件的延迟和动态功耗更低。

由于氧化层的存在，与体CMOS相比，阈值电压对背栅偏压的依赖性较小。这使得SOI器件更适合于低功耗应用。

SOI器件的亚阈值特性较好，因此漏电流较小。

SOI器件没有闩锁问题。

SOI器件存在的缺点：

PD-SOI器件的缺点之一是受历史效应的影响。在PD-SOI中，随着衬底变厚，浮体是明显的。因此，体电压取决于器件之前的状态。这种浮体电压可以改变器件的阈值电压。它可能导致两个相同的晶体管之间的严重不匹配。

SOI设备的另一个问题是自加热。在SOI器件中，活性薄体是在具有良好隔热性能的氧化硅上。在操作过程中，有源区所消耗的功率不容易消散。结果，薄体的温度升高，降低了器件的迁移率和电流。FD-SOI的挑战之一是制造薄体SOI晶片的困难。