1、 當(dāng)當(dāng) MOSFET 的溝道長度的溝道長度 L時，時， 分立器件：分立器件： 集成電路：集成電路：MmaxpgmonmD,fKRgI 但是隨著但是隨著 L 的縮短的縮短 ，將有一系列在普通，將有一系列在普通 MOSFET 中不明顯中不明顯的現(xiàn)象在短溝道的現(xiàn)象在短溝道 MOSFET 中變得嚴(yán)重起來，這一系列的現(xiàn)象統(tǒng)中變得嚴(yán)重起來，這一系列的現(xiàn)象統(tǒng)稱為稱為 。，集成度功耗,pdt 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng) MOSFET 的溝道長度的溝道長度 L 縮短到可與源、漏區(qū)縮短到可與源、漏區(qū)的結(jié)深的結(jié)深 xj 相比擬時，閾電壓相比擬時，閾電壓 VT 將隨著將隨著 L 的縮短而減小，這就是的縮短而減小，這就是

2、 。 代表溝道下耗盡區(qū)的電離代表溝道下耗盡區(qū)的電離雜質(zhì)電荷面密度。雜質(zhì)電荷面密度?？紤]漏源區(qū)的影響后考慮漏源區(qū)的影響后，QA 應(yīng)改為平均電荷應(yīng)改為平均電荷面密度面密度 QAG 。21FBAsdAA)4(NqxNqQ FBOXAOXOXMST2CQCQV 1)21(1)2(21)(2121jdjAAdAdAAGxxLxQLLLQLLLxqNLZZLLxqNQLLdxPTAGjTAAGj,VQLxLLVQQxL，時，隨著當(dāng)無關(guān)與，時，當(dāng) 減輕閾電壓短溝道效應(yīng)的措施減輕閾電壓短溝道效應(yīng)的措施jdAOXOX()()xxNCT、OXAGTMSFBOXOX2QQVCC1)21 (121jdjAAGxxLx

3、QQ 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng) MOSFET 的溝道寬度的溝道寬度 Z 很小時，閾電壓很小時，閾電壓 VT 將將隨隨 Z 的減小而增大。這個現(xiàn)象稱為的減小而增大。這個現(xiàn)象稱為 。 AGAAA21ZQQQQZOXAGTMSFpOXOX()2QQVCC狹 當(dāng)當(dāng) VGS VT 且繼續(xù)增大時，垂直方向的電場且繼續(xù)增大時，垂直方向的電場 E x 增大，表面增大，表面散射進一步增大，散射進一步增大， 將隨將隨 VGS 的增大而下降，的增大而下降，電場1110 式中，式中， TGSVVK電場 體內(nèi)表面體內(nèi)21110 當(dāng)當(dāng) VGS 較小時，較小時，000000GST0GSTK11()1VVVVKV電場電場電場

4、 式中，式中， 0KKV 。時，當(dāng)0KTGS21VVV20K600cm /V s30VV， N 溝道溝道 MOSFET 中的典型值為中的典型值為 VDS 產(chǎn)生水平方向的電場產(chǎn)生水平方向的電場 Ey 。當(dāng)。當(dāng) Ey 很大時，載流子速度將很大時，載流子速度將趨于飽和。簡單的近似方法是用二段直線來描述載流子的趨于飽和。簡單的近似方法是用二段直線來描述載流子的 v Ey 關(guān)系，關(guān)系， = v = 時數(shù)，常CKTGS01EEVVVy時，CKTGS01EEEVVVyy時，CmaxEEEvyymaxCyvEE常數(shù)，時vmaxvEy0EC 已知已知 為使溝道夾斷的飽和漏源電壓，也就為使溝道夾斷的飽和漏源電壓，

5、也就是使是使 的飽和漏源電壓。的飽和漏源電壓。 短溝道短溝道 MOSFET 中，因溝道長度中，因溝道長度 L 很小，很小， 很高，很高，使漏極附近的溝道使漏極附近的溝道尚未被夾斷之前尚未被夾斷之前，Ey 就達到了就達到了臨界電場臨界電場 EC ，載流子速度載流子速度 v (L) 就達到了飽和值就達到了飽和值 vmax ，從而使，從而使 ID 飽和。飽和。yVEydd 現(xiàn)設(shè)現(xiàn)設(shè) 為使為使 的飽和漏源電壓。經(jīng)計算，的飽和漏源電壓。經(jīng)計算， 可見，可見，V Dsat 總是小于總是小于 VDsat 。 對于普通對于普通 MOSFET，DsatDsatVV 對于短溝道對于短溝道 MOSFET，DsatC

6、DsatVLEV 飽和漏源電壓正比于飽和漏源電壓正比于 L ，將隨，將隨 L 的縮短而減小。的縮短而減小。212C2DsatCDsatDsat)(LEVLEVV 飽和漏源電壓與飽和漏源電壓與 L 無關(guān)。無關(guān)。2Dsat2C)(VLE2Dsat2C)(VLE 設(shè)設(shè) 為使為使 的漏極飽和電流，經(jīng)計算，的漏極飽和電流，經(jīng)計算， 1222DsatDsatnOXCC()11VZICE LLE L 對于短溝道對于短溝道 MOSFET，,)(2Dsat2CVLECTGSOXnCDsat2COXnDsat)()(EVVCZLEVLECLZI 對于普通對于普通 MOSFET， 2Dsat2C)(VLEDsat2

7、DsatOXn2CDsat2COXnDsat21211)(IVCLZLEVLECLZI 11)(212CDsat2COXnDsatLEVLECLZILIVVI1,)(Dsat2TGSDsat無關(guān)。與 LIVVIDsatTGSDsat),( 普通普通 MOSFET 在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為 短溝道短溝道 MOSFET 在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為 與與 ( VGS - -VT ) 及及 L 均不再有關(guān)，這稱為均不再有關(guān)，這稱為 。msg)(ddTGSOXnGSDsatmsVVCLZVIgLgVVg1),(msTGSmsmaxOXCOXnGSDsatmsddvZCECZVIg 由式由式

8、 (5-142b)，普通，普通 MOSFET 的飽和區(qū)的飽和區(qū)最高工作頻率最高工作頻率為為 fT 正比于正比于 (VGS - - VT)，反比于，反比于 L2 。 將短溝道將短溝道 MOSFET 的飽和區(qū)跨導(dǎo)代入式的飽和區(qū)跨導(dǎo)代入式 ( 5-142b ) ，得短，得短溝道溝道 MOSFET 的飽和區(qū)的飽和區(qū)最高工作頻率最高工作頻率為為 f T 與與 VGS 無關(guān)，反比于無關(guān)，反比于 L 。 2TGSngsmsT)(23212LVVCgfLvf43maxT 當(dāng)當(dāng) MOSFET 的溝道很短時，漏的溝道很短時，漏 PN 結(jié)上的反偏會對源結(jié)上的反偏會對源 PN 結(jié)結(jié)發(fā)生影響，使漏源之間的勢壘高度降低，

9、從而有電子從源發(fā)生影響，使漏源之間的勢壘高度降低，從而有電子從源 PN 結(jié)結(jié)注入溝道區(qū)，使注入溝道區(qū)，使 ID 增大。增大。 L 縮短后，縮短后，ID VGS 特性曲線中由指數(shù)關(guān)系過渡到平方特性曲線中由指數(shù)關(guān)系過渡到平方關(guān)系的轉(zhuǎn)折電壓（即閾電壓關(guān)系的轉(zhuǎn)折電壓（即閾電壓 VT ）減小。）減小。 普通普通 MOSFET 的的 IDsub 當(dāng)當(dāng) VDS (3 5) (kT/ /q) 后與后與 VDS 無關(guān)，短溝道無關(guān)，短溝道 MOSFET 的的 IDsub 則一直與則一直與 VDS 有關(guān)。有關(guān)。 亞閾區(qū)柵源電壓擺幅亞閾區(qū)柵源電壓擺幅的值的值 隨隨 L 的縮短而增的縮短而增大，這表明短溝道大，這表明短

10、溝道 MOSFET 的的 VGS 對對 IDsub 的控制能力變?nèi)?，使的控制能力變?nèi)?，?MOSFET 難以截止。難以截止。DsubGSlnddIVS VFB VGS VT 時，能帶在表面處往下彎，勢壘的降低主要時，能帶在表面處往下彎，勢壘的降低主要發(fā)生在表面，它使亞閾電流發(fā)生在表面，它使亞閾電流 IDsub 產(chǎn)生如下特點：產(chǎn)生如下特點： VGS VFB 時，能帶在表面處往上彎，表面發(fā)生積累，勢壘時，能帶在表面處往上彎，表面發(fā)生積累，勢壘的降低主要發(fā)生在體內(nèi)，造成體內(nèi)穿通電流的降低主要發(fā)生在體內(nèi)，造成體內(nèi)穿通電流 。而穿通電流基本。而穿通電流基本上不受上不受 VGS 控制，它也使控制，它也使

11、MOSFET 難以截止。難以截止。 襯底電流的特點：襯底電流的特點：Isub 隨隨 VGS 的增大先增加，然后再減小，的增大先增加，然后再減小，最后達到最后達到 PN 結(jié)反向飽和電流的大小。結(jié)反向飽和電流的大小。 夾斷區(qū)內(nèi)因碰撞電離而產(chǎn)生電子空穴對，電子從漏極流出夾斷區(qū)內(nèi)因碰撞電離而產(chǎn)生電子空穴對，電子從漏極流出而成為而成為 ID 的一部分，空穴則由襯底流出而形成襯底電流的一部分，空穴則由襯底流出而形成襯底電流 Isub 。 襯底電流可表為襯底電流可表為 ；而夾斷區(qū)內(nèi)的電場；而夾斷區(qū)內(nèi)的電場可表示為可表示為 當(dāng)當(dāng) VGS 較大時，較大時，ID 的增大不如的增大不如i 的減小，使的減小，使 Is

12、ub 減小減小。LVVVLVVEyTGSDSDsatDS 對于固定的對于固定的 VDS ，當(dāng)，當(dāng) VGS 增大時，增大時，ID 增加；但增加；但 Ey 減小，使減小，使 i 減小，即減小，即LIIiDsub,iDyEI 當(dāng)當(dāng) VGS 較小時，較小時，ID 的增大超過的增大超過i 的減小，使的減小，使 Isub 增加。增加。 當(dāng)當(dāng) VGS 增大到使碰撞電離消失時，增大到使碰撞電離消失時，Isub 成為漏成為漏 PN 結(jié)的反向結(jié)的反向飽和電流。飽和電流。當(dāng)當(dāng) VGS 增大時增大時 第一類，正常雪崩擊穿第一類，正常雪崩擊穿 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 BVDS 隨柵源電壓隨柵源電壓 VGS 的增大而增

13、大，的增大而增大，并且是硬擊穿。這一類擊穿主要發(fā)生在并且是硬擊穿。這一類擊穿主要發(fā)生在 P 溝道溝道 MOSFET（包括（包括短溝道）與長溝道短溝道）與長溝道 N 溝道溝道 MOSFET 中。中。 第二類，橫向雙極擊穿第二類，橫向雙極擊穿 BVDS 隨隨 VGS 的增大先減小再增大，其包絡(luò)線為的增大先減小再增大，其包絡(luò)線為 C 形，形，并且是軟擊穿，主要發(fā)生在并且是軟擊穿，主要發(fā)生在 N 溝道短溝道溝道短溝道 MOSFET 中。中。 襯底電流在襯底電阻上所產(chǎn)生襯底電流在襯底電阻上所產(chǎn)生的的 電壓電壓 Vbs = IsubRsub，對橫向寄生，對橫向寄生雙極晶體管的發(fā)射結(jié)為正偏壓，雙極晶體管的發(fā)

14、射結(jié)為正偏壓，使使寄生晶體管處于放大區(qū)。寄生晶體管處于放大區(qū)。當(dāng)集電結(jié)當(dāng)集電結(jié)耗盡區(qū)中的電場強度增大到滿足雙耗盡區(qū)中的電場強度增大到滿足雙極晶體管的共發(fā)射極雪崩擊穿條件極晶體管的共發(fā)射極雪崩擊穿條件因為因為 ，所以，所以， subsubNPsubsubNPsubsubsubsubPN()2.5()2.5()6.25(RRIIIRIR溝溝溝溝溝溝)，)，) 時，就會使時，就會使 IC ，從而發(fā)生，從而發(fā)生橫向雙極擊穿。橫向雙極擊穿。1Mpn5 .2這使這使 N 溝道溝道 MOSFET 更容易發(fā)生橫向雙極擊穿。更容易發(fā)生橫向雙極擊穿。 溝道中漏附近溝道中漏附近能量較大的電子能量較大的電子稱為稱為，

15、熱電子若具有，熱電子若具有克服克服 Si SiO2 間勢壘間勢壘 ( 約約 3.1 eV ) 的能量，就能進入柵氧化層。的能量，就能進入柵氧化層。這些電子中的一部分從柵極流出構(gòu)成這些電子中的一部分從柵極流出構(gòu)成柵極電流柵極電流 IG ，其余部分則，其余部分則陷在陷在 SiO2 的電子陷阱中的電子陷阱中。這些電子將隨時間而積累，長時期后。這些電子將隨時間而積累，長時期后將對將對 MOSFET 的性能產(chǎn)生如下影響：的性能產(chǎn)生如下影響： (a) VT 向正方向漂移，即向正方向漂移，即 VT 隨時間而逐漸增大。隨時間而逐漸增大。 (b) 因遷移率下降而因遷移率下降而導(dǎo)致跨導(dǎo)導(dǎo)致跨導(dǎo) gm 的退化。的退化。 (c) 因界面態(tài)密度增大而因界面態(tài)密度增大而導(dǎo)致亞閾電流導(dǎo)致亞閾電流 IDsub 的增大。的增大。 由于熱電子效應(yīng)與由于熱電子效應(yīng)與 IG 成比例，所以可用測量成比例，所以可用測量 IG 的大小來推的大小來推算熱電子效應(yīng)的大小。算熱電子效應(yīng)的大小。IG 與與 VDS、VGS及及 L 有關(guān)。有關(guān)。IG 隨隨 VDS 的增的增加而增加。對于加而增加。對于 VGS ，則在，則在 VGS = VDS 附近出現(xiàn)峰值。附近出現(xiàn)峰值。IG 隨隨 L 的的縮短而增加。縮短而增加。 為了防止為了防止 MOSFET 性能的過分退化，必須對性能的過分退化，必須對 VD