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  • 分析短溝道效應(yīng)-MOSFET的短溝道效應(yīng)
    • 發(fā)布時(shí)間:2020-11-07 17:00:40
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    分析短溝道效應(yīng)-MOSFET的短溝道效應(yīng)
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    當(dāng)MOS晶體管的溝道長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)一些不同于長(zhǎng)溝道MOS管特性的現(xiàn)象,統(tǒng)稱(chēng)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(shì)分布以及高電場(chǎng)。
    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(zhǎng)度縮短,源結(jié)與漏結(jié)耗盡層的厚度可與溝道長(zhǎng)度比擬時(shí),溝道區(qū)的電勢(shì)分布將不僅與由柵電壓及襯底偏置電壓決定的縱向電場(chǎng)有關(guān),而且與由漏極電壓控制的橫向電場(chǎng)也有關(guān)。
    換句話(huà)說(shuō),此時(shí)緩變溝道近似不再成立。這個(gè)二維電勢(shì)分布會(huì)導(dǎo)致閾值電壓隨L的縮短而下降,亞閾值特性的降級(jí)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(zhǎng)度縮短,溝道橫向電場(chǎng)增大時(shí),溝道區(qū)載流子的遷移率變成與電場(chǎng)有關(guān),最后使載流子速度達(dá)到飽和。
    當(dāng)電場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)、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(zhǎng)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(méi)能按比例縮小而引起的電場(chǎng)增大;
    (2)內(nèi)建電勢(shì)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(guò)MOSFET的亞國(guó)值特性來(lái)推斷閾值電壓到底能縮小到最小極限值。對(duì)于長(zhǎng)溝道器件而言,亞閾值電流由下式給出
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    也可以寫(xiě)成如下的形式
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    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:
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    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(jí),式(8.7)和式(8.8)的兩邊相除則有
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    短溝道效應(yīng)使閾值電壓減小對(duì)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(jiàn)下圖。
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    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(duì)閾值電壓值產(chǎn)生影響的因素。
    圖8.2a顯示了長(zhǎng)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(zhǎng)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。
    MOSFET的短溝道效應(yīng)
    隨著溝道長(zhǎng)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(huì)變得更少。
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