分析短溝道效應-MOSFET的短溝道效應知識

MOSFET的短溝道效應

當MOS晶體管的溝道長度小到可以和漏結及源結的耗盡層厚度相比擬時,會出現一些不同于長溝道MOS管特性的現象,統稱為短溝道效應，它們歸因于在溝道區出現二維的電勢分布以及高電場。

MOSFET的短溝道效應：當溝道區的摻雜濃度分布一定時,如果溝道長度縮短,源結與漏結耗盡層的厚度可與溝道長度比擬時，溝道區的電勢分布將不僅與由柵電壓及襯底偏置電壓決定的縱向電場有關，而且與由漏極電壓控制的橫向電場也有關。

換句話說,此時緩變溝道近似不再成立。這個二維電勢分布會導致閾值電壓隨L的縮短而下降，亞閾值特性的降級以及由于穿通效應而使電流飽和失效。

MOSFET的短溝道效應：當溝道長度縮短,溝道橫向電場增大時,溝道區載流子的遷移率變成與電場有關,最后使載流子速度達到飽和。

當電場進一步增大時,靠近漏端處發生載流子倍增，從而導致襯底電流及產生寄生雙極型晶體管效應。強電場也促使熱載流子注入氧化層，導致氧化層內增加負電荷及引起閾值電壓移動、跨導下降等。

由于短溝道效應使器件的工作情況變得復雜化，并使器件特性變差,因此,必須弄清其機理,并設法避免之,或采取適當措施使短溝道器件在電特性方面能保持電路正常工作。

MOSFET的短溝道效應

MOSFET的溝道長度小于3um時發生的短溝道效應較為明顯。短溝道效應是由以下五種因素引起的，這五種因素又是由于偏離了理想按比例縮小理論而產生的。它們是:

（1）由于電源電壓沒能按比例縮小而引起的電場增大;

（2）內建電勢既不能按比例縮小又不能忽略;

（3）源漏結深不能也不容易按比例減小;

（4）襯底摻雜濃度的增加引起載流子遷移率的降低;

（5）亞閾值斜率不能按比例縮小。

亞閾值特性

我們的目的是通過MOSFET的亞國值特性來推斷閾值電壓到底能縮小到最小極限值。對于長溝道器件而言，亞閾值電流由下式給出

也可以寫成如下的形式

從式(8.4)中可以看出，當Vgs-Vr=0時，即當柵-源電壓等于亞閾值電壓時有亞閾值電流:

如果規定關斷時(當Vgs=0)的電流比在(當Vgs=Vr)的電流小5個數量級，式(8.7)和式(8.8)的兩邊相除則有

短溝道效應使閾值電壓減小對理想MOSFET器件,我們是利用電荷鏡像原理導出閾值電壓的表達式。見下圖。

這個電荷密度都由柵的有效面積控制。并忽略了由于源/漏空間電荷區進入有效溝道區造成的對閾值電壓值產生影響的因素。

圖8.2a顯示了長溝道的N溝MOSFET的剖面圖。在平帶的情況下，且源-漏電壓為零，源端和漏端的空間電荷區進入了溝道區，但只占溝道長度的很小一部分。此時的柵電壓控制著溝道區反型時的所有反型電荷和空間電荷，如圖8.2b所示。

隨著溝道長度的減小，溝道區中由柵壓控制的電荷密度減小。隨著漏端電壓的增大，漏端的空間電荷區更嚴重地延伸到溝道區，從而柵電壓控制的體電荷會變得更少。

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