分析短溝道效應(yīng)-MOSFET的短溝道效應(yīng)知識

MOSFET的短溝道效應(yīng)

當(dāng)MOS晶體管的溝道長度小到可以和漏結(jié)及源結(jié)的耗盡層厚度相比擬時(shí),會出現(xiàn)一些不同于長溝道MOS管特性的現(xiàn)象,統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)，它們歸因于在溝道區(qū)出現(xiàn)二維的電勢分布以及高電場。

MOSFET的短溝道效應(yīng)：當(dāng)溝道區(qū)的摻雜濃度分布一定時(shí),如果溝道長度縮短,源結(jié)與漏結(jié)耗盡層的厚度可與溝道長度比擬時(shí)，溝道區(qū)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(guān)，而且與由漏極電壓控制的橫向電場也有關(guān)。

換句話說,此時(shí)緩變溝道近似不再成立。這個(gè)二維電勢分布會導(dǎo)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(yīng)而使電流飽和失效。

MOSFET的短溝道效應(yīng)：當(dāng)溝道長度縮短,溝道橫向電場增大時(shí),溝道區(qū)載流子的遷移率變成與電場有關(guān),最后使載流子速度達(dá)到飽和。

當(dāng)電場進(jìn)一步增大時(shí),靠近漏端處發(fā)生載流子倍增，從而導(dǎo)致襯底電流及產(chǎn)生寄生雙極型晶體管效應(yīng)。強(qiáng)電場也促使熱載流子注入氧化層，導(dǎo)致氧化層內(nèi)增加負(fù)電荷及引起閾值電壓移動、跨導(dǎo)下降等。

由于短溝道效應(yīng)使器件的工作情況變得復(fù)雜化，并使器件特性變差,因此,必須弄清其機(jī)理,并設(shè)法避免之,或采取適當(dāng)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(yīng)

MOSFET的溝道長度小于3um時(shí)發(fā)生的短溝道效應(yīng)較為明顯。短溝道效應(yīng)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(chǎn)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(nèi)建電勢既不能按比例縮小又不能忽略;

（3）源漏結(jié)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(dāng)Vgs-Vr=0時(shí)，即當(dāng)柵-源電壓等于亞閾值電壓時(shí)有亞閾值電流:

如果規(guī)定關(guān)斷時(shí)(當(dāng)Vgs=0)的電流比在(當(dāng)Vgs=Vr)的電流小5個(gè)數(shù)量級，式(8.7)和式(8.8)的兩邊相除則有

短溝道效應(yīng)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(dǎo)出閾值電壓的表達(dá)式。見下圖。

這個(gè)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(qū)進(jìn)入有效溝道區(qū)造成的對閾值電壓值產(chǎn)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(qū)進(jìn)入了溝道區(qū)，但只占溝道長度的很小一部分。此時(shí)的柵電壓控制著溝道區(qū)反型時(shí)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(qū)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(qū)更嚴(yán)重地延伸到溝道區(qū)，從而柵電壓控制的體電荷會變得更少。

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