4.8

短溝道效應(yīng)當MOSFET

的溝道長度L↓時，fM

?Kp

max

?,gm

?,

Ron

fl,wgm

?,但是隨著L

的縮短，將有一系列在普通MOSFET

中不明顯的現(xiàn)象在短溝道MOSFET

中變得嚴重起來，這一系列的現(xiàn)象統(tǒng)稱為“短溝道效應(yīng)”。功耗fl，集成度?分立器件：ID

?,集成電路：tpd

fl,都挺重要的，盡量看，暫時看不懂也沒關(guān)系4.8.1

小尺寸效應(yīng)1、閾電壓的短溝道效應(yīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當MOSFET

的溝道長度L

縮短到可與源、漏區(qū)的結(jié)深xj

相比擬時，閾電壓VT

將隨著L

的縮短而減小，這就是閾電壓的短溝道效應(yīng)。代表溝道下耗盡區(qū)的電離雜質(zhì)電荷面密度。考慮漏源區(qū)的影響后，QA

應(yīng)改為平均電荷面密度QAG

。1QA

=

-q

NA

xd

=

-(4es

q

NAfFB

)2FBOX

OX原因：漏源區(qū)對QA

的影響MST+

2fC

C-

QOX

-

QAV

=

fAGA

dA

d12LZ2L2LL

+

L￠

Q

L

+

L￠Q

=

-qN

x1

(L

+

L￠)Z=

-qN

x=A

LxdLPxj12xxj

=

QA

1

--11

+

2

d

xj

L

當

L

>>

xj

時，QAG

?

QA

，VT

與

L

無關(guān),當

L

<<

xj

時，隨著

L

fl

，

QAG

fl,

VT

fl減小閾電壓短溝道效應(yīng)的措施xj

fl

、xd

fl

(NA

?)、COX

?(TOX

fl

)TMSFBOX

OXC

CV

=

f-

QOX

-

QAG+

2f12xQAGxj

=

QA

1

--11

+

2

d

L

xj

2、閾電壓的窄溝道效應(yīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當MOSFET

的溝道寬度Z

很小時，閾電壓VT將隨Z

的減小而增大。這個現(xiàn)象稱為閾電壓的窄溝道效應(yīng)。ZQ

=

Q

+

DQ

=

Q

1+

2DZ

AG

A

A A

OXAGTMSFpOXOXQ

QC

C(V

)

=

f

--

+

2f狹減小該效應(yīng)措施：自對準工藝m電場m

m0當VGS

>VT

且繼續(xù)增大時，垂直方向的電場E

x增大，表面散射進一步增大，m

將隨VGS

的增大而下降，1

=

1

+

1TGSKV

-V=電場式中，mm體內(nèi)

m表面

m體內(nèi)21m0+

?1

=

14.8.2

遷移率調(diào)制效應(yīng)1、VGS對m

的影響當VGS較小時，0GSTKKVm0m0m0m0mmm

====1

+1

+(V

-V )1

+

VGS

-VTm電場m0m電場+m0電場0Km式中，V=

K0T

KGS2當

V

-V

=

V

時，m

=

1

m

。0K=

30Vm

=

600cm2

/V

s

，VN

溝道MOSFET

中的典型值為2、VDS對m

的影響VDS

產(chǎn)生水平方向的電場Ey

。當Ey

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v

~

Ey關(guān)系，m

=v

=CKVy=

常數(shù)，E

<

E

時1+m0VGS

-VTCKE

，EVyy<E

時1

+m0VGS

-VTCEvmax

，

Eyy?E

時maxCyv

=

常數(shù)，

E

?

E

時vvmaxEy0EC3、速度飽和對飽和漏源電壓的影響y短溝道MOSFET

中，因溝道長度

L

很小，

E

=

-

dV

很高，dy使漏極附近的溝道尚未被夾斷之前，Ey

就達到了臨界電場EC

，載流子速度v

(L)就達到了飽和值vmax

，從而使ID

飽和。已知VDsat=VGS–VT

為使溝道夾斷的飽和漏源電壓，也就是使Qn(L)=0

的飽和漏源電壓。現(xiàn)設(shè)V￠Dsat

為使v

(L)=vmax

的飽和漏源電壓。經(jīng)計算，可見，V￠Dsat

總是小于VDsat

。對于普通MOSFET，對于短溝道MOSFET，VDsat

?

EC

L

<<VDsat特點：飽和漏源電壓正比于L，將隨L

的縮短而減小。(

)2212DsatDsatCDsatCV

￠=

V

+

E

L

-

V+

E

LVDsat

?

VDsat

=

VGS

-VT特點：飽和漏源電壓與L

無關(guān)。(

)22C

DsatE

L>>

V(

)22C

DsatE

L<<

V4、速度飽和對飽和漏極電流的影響設(shè)I￠Dsat

為使v

(L)=vmax

的漏極飽和電流，經(jīng)計算，212ZL

V

2

ID￠sat=mn

COX

(EC

L

)

1

+

Dsat

-1

EC

L

對于短溝道MOSFET，(

)22CDsat,E

L<<

V(

)2DsatDsatn

OXCn

OXGSTCCVE

LLI

￠?

Z

m

C?

Zm

C

(V

-V

)E

E

L

對于普通MOSFET，(

)2CDsatE

LDsatn

OXCn

OX

DsatDsatZZV

2L2

E

L2Lm

C1

V22

I

￠=

I?

m

C

(E

L)

1+

Dsat

-1

=

C

212ZL

V

2

ID￠sat=mn

COX

(EC

L

)

1

+

Dsat

-1

EC

L

2>>

V)2Dsat

GSTDsat1,L特點：I

￠I

￠(V

-V特點：ID￠sat

(VGS

-VT

,ID￠sat與L

無關(guān)。特點：短溝道MOSFET

在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為特點：gms與(VGS-VT

)及L

均不再有關(guān)，這稱為跨導(dǎo)的飽和。msn

OX

GSTGSgdVL=

d

IDsat=

Z

m

C(V

-V

)msms1Lg

(VGS

-VT

),

gn

OX

C

OX

maxGSDsatmsdVdIE

=

ZC v=g￠=

Zm

C5、速度飽和對跨導(dǎo)的影響普通MOSFET

在飽和區(qū)的跨導(dǎo)為6、速度飽和對最高工作頻率的影響由式(5-142b)，普通MOSFET

的飽和區(qū)最高工作頻率為特點：fT

正比于(VGS

–VT

)，反比于L2

。將短溝道MOSFET

的飽和區(qū)跨導(dǎo)代入式(5-142b)，得短溝道MOSFET

的飽和區(qū)最高工作頻率為特點：f￠T

與VGS

無關(guān)，反比于L

。TgsgmsL2f

==

1

3

mn

(VGS

-VT

2pC

2p

2

4p

L3vmaxT=f

￠4.8.3

漏誘生勢壘降低(DIBL)效應(yīng)當MOSFET

的溝道很短時，漏PN

結(jié)上的反偏會對源PN

結(jié)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)注入溝道區(qū)，使ID增大。隨L

的縮短而增大，這表明短溝道MOSFET

的VGS

對IDsub

的控制能力變?nèi)?，使MOSFET

難以截止。d

ln

IDsubdVGS③亞閾區(qū)柵源電壓擺幅的值S

=1、表面DIBL

效應(yīng)VFB

<VGS

<VT

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IDsub

產(chǎn)生如下特點：①L

縮短后，ID

~

VGS

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VT

）減小。②普通MOSFET

的IDsub

當VDS

>(3

~

5)(kT/q)后與VDS無關(guān)，短溝道MOSFET

的IDsub

則一直與VDS

有關(guān)。2、體內(nèi)DIBL

效應(yīng)VGS

<VFB

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。而穿通電流基本上不受VGS

控制，它也使MOSFET

難以截止。襯底電流的特點：Isub隨VGS的增大先增加，然后再減小，最后達到PN

結(jié)反向飽和電流的大小。1、襯底電流Isub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ID

的一部分，空穴則由襯底流出而形成襯底電流Isub

。4.8.4

強電場效應(yīng)EyDL

DL=

VDS

-VGS

+VT?

VDS

-VDsat原因：襯底電流可表為Isub

=IDa

i

DL

；而夾斷區(qū)內(nèi)的電場可表為y

i對于固定的VDS

，當VGS

增大時，ID

增加；但Ey

減小，使αi

減小，即ID

?,E

fl

fia

fl,當VGS較小時，ID

的增大超過αi

的減小，使Isub增加。當VGS較大時，ID

的增大不如αi

的減小，使Isub減小。

當VGS

增大到使碰撞電離消失時，Isub

成為漏PN

結(jié)的反向飽和電流。當VGS

增大時2、擊穿特性第一類，正常雪崩擊穿特點：漏源擊穿電壓BVDS

隨柵源電壓VGS

的增大而增大，并且是硬擊穿。這一類擊穿主要發(fā)生在P

溝道MOSFET（包括短溝道）與長溝道N

溝道MOSFET

中。第二類，橫向雙極擊穿特點：BVDS

隨VGS

的增大先減小再增大，其包絡(luò)線為C

形，并且是軟擊穿，主要發(fā)生在N

溝道短溝道MOSFET

中。(Rsub

)N溝(Isub

)N溝(Isub

Rsub

)N溝?2.5(Rsub

)P溝，?2.5(Isub

)P溝，?6.25(Isub

Rsub

)P溝襯底電流在襯底電阻上所產(chǎn)生的電壓Vbs

=IsubRsub

，對橫向寄生雙極晶體管的發(fā)射結(jié)為正偏壓，使寄生晶體管處于放大區(qū)。當集電結(jié)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a

M

fi

1

時，就會使IC

→∞，從而發(fā)生橫向雙極擊穿。因為

mn

?

2.5mp

，所以，這使N

溝道MOSFET

更容易發(fā)生橫向雙極擊穿。3、熱電子效應(yīng)溝道中漏附近能