MOSFET短沟道效应,短沟道效应影响-KIA MOS管
信息来源：本站 日期：2024-12-16
短沟道效应：当金属氧化物半导体场效应管的导电沟道长度降低到十几纳米、甚至几纳米量级时，晶体管出现的一些效应。这些效应主要包括阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低、载流子表面散射、速度饱和、离子化和热电子效应。
如图所示，可以直观看到能带在MOSFET中的表现，以NMOS为例，当加了Vgs电压时，Vgs将在Gate表面的能带向下拉（图中的第三个图例），使得电子更加容易穿过沟道，但由于此时Drain未加电压，能带位置没有发生变化，所以此时没有电流流过。当Drain加电压之后（下面图中的第四个图例），Drain处的能带被向下拉，从而从Source -> Channel -> Drain 形成了一个能级差，导致电子可以沿着这条路径流动。
从能带图角度来看短沟效应，从图中可以得出：
a. 对于短沟道（L很小）的MOS管，由于Source和Drain的距离太近，导致Channel的能带被向下拉，因此导致了处于Cut-Off状态下的器件leakage会增大（因为沟道的势垒降低了，在常温下热激发的电子会有更多能够越过沟道势垒，从Source跑到Drain处）。这个效应对于亚阈值漏电流的影响很大。
b. 如果增大Vds的值，由于Source和Drain的距离太近，Drain的势垒下降会导致Channel的势垒下降，从而导致沟道电流Id对Vds的敏感性增大。这也是传说中的漏诱生势垒降低效应 （DIBL）
c. 所以，如果想继续通过减小沟道L值来增大开启电流 (原理：
由于短沟效应，MOS管的关断电流会呈现指数级增大。
阈值电压下降：在短沟道MOSFET中，当漏极电压较大时，阈值电压会降低。这是因为源极和漏极电压会对沟道内的电荷产生影响，导致阈值电压依赖于栅极长度而变化。在短沟道区域，阈值电压会急剧下降，这降低了器件的成品率。
漏极诱导势垒降低（DIBL）：随着漏源电压的增大，漏衬反偏PN结空间电荷区展宽，导致沟道的有效长度减小。这种现象在短沟道中尤为明显，严重时会导致源漏穿通器件失效。
亚阈值系数（S）的恶化：短沟道效应会导致亚阈值电流增加，使得亚阈值系数恶化，影响器件的开关速度和功耗。
电流非饱和：在短沟道器件中，漏极电流不会随着漏极电压的增加而无限增大，而是达到一个饱和值。这是因为沟道变短使得载流子速度饱和效应显著。
热载流子效应：随着器件尺寸的减小，器件内部的电场强度增强，特别是在漏结附近存在强电场。这使得载流子获得高能量成为热载流子，可能注入到氧化层中，导致器件性能退化。
电流密度增加和电压变化加剧：短沟道效应会导致电流密度增加和电压变化加剧。这是因为短沟道意味着单位体积内的电子数量增多，电压波动变得更加剧烈，影响电路的正常工作。
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