解析短溝道效應-MOSFET的短溝道效應,必看-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-11-06
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(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，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：當溝道區(qū)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(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，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(qū)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(fā)生載流子倍增，從而導致襯底電流及產(chǎn)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(nèi)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(fā)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(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(guī)定關斷時(當Vgs=0)的電流比在(當Vgs=Vr)的電流小5個數(shù)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(qū)進入有效溝道區(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)進入了溝道區(qū)，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(qū)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(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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