MOSFET短溝道效應(yīng),短溝道效應(yīng)影響-KIA MOS管

MOSFET短溝道效應(yīng)

短溝道效應(yīng)：當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道長度降低到十幾納米、甚至幾納米量級時(shí)，晶體管出現(xiàn)的一些效應(yīng)。這些效應(yīng)主要包括閾值電壓隨著溝道長度降低而降低、漏致勢壘降低、載流子表面散射、速度飽和、離子化和熱電子效應(yīng)。

如圖所示，可以直觀看到能帶在MOSFET中的表現(xiàn)，以NMOS為例，當(dāng)加了Vgs電壓時(shí)，Vgs將在Gate表面的能帶向下拉（圖中的第三個圖例），使得電子更加容易穿過溝道，但由于此時(shí)Drain未加電壓，能帶位置沒有發(fā)生變化，所以此時(shí)沒有電流流過。當(dāng)Drain加電壓之后（下面圖中的第四個圖例），Drain處的能帶被向下拉，從而從Source -> Channel -> Drain 形成了一個能級差，導(dǎo)致電子可以沿著這條路徑流動。

從能帶圖角度來看短溝效應(yīng)，從圖中可以得出：

a. 對于短溝道（L很?。┑腗OS管，由于Source和Drain的距離太近，導(dǎo)致Channel的能帶被向下拉，因此導(dǎo)致了處于Cut-Off狀態(tài)下的器件leakage會增大（因?yàn)闇系赖膭輭窘档土?，在常溫下熱激發(fā)的電子會有更多能夠越過溝道勢壘，從Source跑到Drain處）。這個效應(yīng)對于亞閾值漏電流的影響很大。

b. 如果增大Vds的值，由于Source和Drain的距離太近，Drain的勢壘下降會導(dǎo)致Channel的勢壘下降，從而導(dǎo)致溝道電流Id對Vds的敏感性增大。這也是傳說中的漏誘生勢壘降低效應(yīng) （DIBL）

c. 所以，如果想繼續(xù)通過減小溝道L值來增大開啟電流 (原理：

由于短溝效應(yīng)，MOS管的關(guān)斷電流會呈現(xiàn)指數(shù)級增大。

短溝道效應(yīng)對器件性能的影響

閾值電壓下降：在短溝道MOSFET中，當(dāng)漏極電壓較大時(shí)，閾值電壓會降低。這是因?yàn)樵礃O和漏極電壓會對溝道內(nèi)的電荷產(chǎn)生影響，導(dǎo)致閾值電壓依賴于柵極長度而變化。在短溝道區(qū)域，閾值電壓會急劇下降，這降低了器件的成品率。

漏極誘導(dǎo)勢壘降低（DIBL）：隨著漏源電壓的增大，漏襯反偏PN結(jié)空間電荷區(qū)展寬，導(dǎo)致溝道的有效長度減小。這種現(xiàn)象在短溝道中尤為明顯，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致源漏穿通器件失效。

亞閾值系數(shù)（S）的惡化：短溝道效應(yīng)會導(dǎo)致亞閾值電流增加，使得亞閾值系數(shù)惡化，影響器件的開關(guān)速度和功耗。

電流非飽和：在短溝道器件中，漏極電流不會隨著漏極電壓的增加而無限增大，而是達(dá)到一個飽和值。這是因?yàn)闇系雷兌淌沟幂d流子速度飽和效應(yīng)顯著。

熱載流子效應(yīng)：隨著器件尺寸的減小，器件內(nèi)部的電場強(qiáng)度增強(qiáng)，特別是在漏結(jié)附近存在強(qiáng)電場。這使得載流子獲得高能量成為熱載流子，可能注入到氧化層中，導(dǎo)致器件性能退化。

電流密度增加和電壓變化加?。憾虦系佬?yīng)會導(dǎo)致電流密度增加和電壓變化加劇。這是因?yàn)槎虦系酪馕吨鴨挝惑w積內(nèi)的電子數(shù)量增多，電壓波動變得更加劇烈，影響電路的正常工作。

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