MOSFET短溝道效應,短溝道效應影響-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2024-12-16
短溝道效應：當金屬氧化物半導體場效應管的導電溝道長度降低到十幾納米、甚至幾納米量級時，晶體管出現的一些效應。這些效應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。
如圖所示，可以直觀看到能帶在MOSFET中的表現，以NMOS為例，當加了Vgs電壓時，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Drain未加電壓，能帶位置沒有發生變化，所以此時沒有電流流過。當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，從圖中可以得出：
a. 對于短溝道（L很小）的MOS管，由于Source和Drain的距離太近，導致Channel的能帶被向下拉，因此導致了處于Cut-Off狀態下的器件leakage會增大（因為溝道的勢壘降低了，在常溫下熱激發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的勢壘下降會導致Channel的勢壘下降，從而導致溝道電流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 （DIBL）
c. 所以，如果想繼續通過減小溝道L值來增大開啟電流 (原理：
由于短溝效應，MOS管的關斷電流會呈現指數級增大。
閾值電壓下降：在短溝道MOSFET中，當漏極電壓較大時，閾值電壓會降低。這是因為源極和漏極電壓會對溝道內的電荷產生影響，導致閾值電壓依賴于柵極長度而變化。在短溝道區域，閾值電壓會急劇下降，這降低了器件的成品率。
漏極誘導勢壘降低（DIBL）：隨著漏源電壓的增大，漏襯反偏PN結空間電荷區展寬，導致溝道的有效長度減小。這種現象在短溝道中尤為明顯，嚴重時會導致源漏穿通器件失效。
亞閾值系數（S）的惡化：短溝道效應會導致亞閾值電流增加，使得亞閾值系數惡化，影響器件的開關速度和功耗。
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，而是達到一個飽和值。這是因為溝道變短使得載流子速度飽和效應顯著。
熱載流子效應：隨著器件尺寸的減小，器件內部的電場強度增強，特別是在漏結附近存在強電場。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，導致器件性能退化。
電流密度增加和電壓變化加劇：短溝道效應會導致電流密度增加和電壓變化加劇。這是因為短溝道意味著單位體積內的電子數量增多，電壓波動變得更加劇烈，影響電路的正常工作。
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