分析短沟道效应-MOSFET的短沟道效应知识

MOSFET的短沟道效应

当MOS晶体管的沟道长度小到可以和漏结及源结的耗尽层厚度相比拟时,会出现一些不同于长沟道MOS管特性的现象,统称为短沟道效应，它们归因于在沟道区出现二维的电势分布以及高电场。

MOSFET的短沟道效应：当沟道区的掺杂浓度分布一定时,如果沟道长度缩短,源结与漏结耗尽层的厚度可与沟道长度比拟时，沟道区的电势分布将不仅与由栅电压及衬底偏置电压决定的纵向电场有关，而且与由漏极电压控制的横向电场也有关。

换句话说,此时缓变沟道近似不再成立。这个二维电势分布会导致阈值电压随L的缩短而下降，亚阈值特性的降级以及由于穿通效应而使电流饱和失效。

MOSFET的短沟道效应：当沟道长度缩短,沟道横向电场增大时,沟道区载流子的迁移率变成与电场有关,最后使载流子速度达到饱和。

当电场进一步增大时,靠近漏端处发生载流子倍增，从而导致衬底电流及产生寄生双极型晶体管效应。强电场也促使热载流子注入氧化层，导致氧化层内增加负电荷及引起阈值电压移动、跨导下降等。

由于短沟道效应使器件的工作情况变得复杂化，并使器件特性变差,因此,必须弄清其机理,并设法避免之,或采取适当措施使短沟道器件在电特性方面能保持电路正常工作。

MOSFET的短沟道效应

MOSFET的沟道长度小于3um时发生的短沟道效应较为明显。短沟道效应是由以下五种因素引起的，这五种因素又是由于偏离了理想按比例缩小理论而产生的。它们是:

（1）由于电源电压没能按比例缩小而引起的电场增大;

（2）内建电势既不能按比例缩小又不能忽略;

（3）源漏结深不能也不容易按比例减小;

（4）衬底掺杂浓度的增加引起载流子迁移率的降低;

（5）亚阈值斜率不能按比例缩小。

亚阈值特性

我们的目的是通过MOSFET的亚國值特性来推断阈值电压到底能缩小到最小极限值。对于长沟道器件而言，亚阈值电流由下式给出

也可以写成如下的形式

从式(8.4)中可以看出，当Vgs-Vr=0时，即当栅-源电压等于亚阈值电压时有亚阈值电流:

如果规定关断时(当Vgs=0)的电流比在(当Vgs=Vr)的电流小5个数量级，式(8.7)和式(8.8)的两边相除则有

短沟道效应使阈值电压减小对理想MOSFET器件,我们是利用电荷镜像原理导出阈值电压的表达式。见下图。

这个电荷密度都由栅的有效面积控制。并忽略了由于源/漏空间电荷区进入有效沟道区造成的对阈值电压值产生影响的因素。

图8.2a显示了长沟道的N沟MOSFET的剖面图。在平带的情况下，且源-漏电压为零，源端和漏端的空间电荷区进入了沟道区，但只占沟道长度的很小一部分。此时的栅电压控制着沟道区反型时的所有反型电荷和空间电荷，如图8.2b所示。

随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电荷密度减小。随着漏端电压的增大，漏端的空间电荷区更严重地延伸到沟道区，从而栅电压控制的体电荷会变得更少。

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