短溝道效應(yīng),短溝道效應(yīng)的產(chǎn)生及特點-KIA MOS管

短溝道效應(yīng)（short-channel effects），當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的導(dǎo)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(xiàn)的一些效應(yīng)。這些效應(yīng)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(yīng)。短溝道效應(yīng)會顯著影響MOSFET的性能和可靠性。

解釋一：短溝道效應(yīng)主要是指閾值電壓與溝道相關(guān)到非常嚴(yán)重的程度。

解釋二：溝道長度減小到一定程度后出現(xiàn)的一系列二級物理效應(yīng)統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)。如漏致勢壘降低（DIBL），隨著漏源電壓的增大，漏襯反偏PN結(jié)空間電荷區(qū)展寬，則溝道的有效長度減小，此在短溝道中尤為明顯， 嚴(yán)重會導(dǎo)致源漏穿通器件失效。

MOS晶體管的漏電途徑如圖所示。因開啟電壓（Threshold Voltage，簡稱Vt）下降所造成的漏電流，及因電擊穿（punch through）效應(yīng)導(dǎo)致的漏電。其中前者沿著MOS的通道（紅色箭頭）；后者沿著通道下方，源/漏因反向偏壓所產(chǎn)生的耗盡層（depletion region）不斷向外擴展（圖中虛線為耗盡層邊界）。

短溝道效應(yīng)：當(dāng)溝道長度足夠短時，閾值電壓與溝道長度出現(xiàn)了強關(guān)聯(lián)，溝道長度減少，閾值電壓減少。

如圖所示：

短溝道效應(yīng)的產(chǎn)生原理：

電子散射：當(dāng)溝道長度縮短到與電子平均自由程相當(dāng)或更短時，電子在溝道中會發(fā)生散射現(xiàn)象。這些散射事件導(dǎo)致電子能量和速度增加，從而增加了漏電流。

隧穿效應(yīng)：在短溝道MOSFET中，由于溝道長度很短，電子可以通過隧穿效應(yīng)穿越壘壁，從源極隧穿到漏極。這會導(dǎo)致漏電流的進一步增加。

強限制效應(yīng)：短溝道MOSFET中的強限制效應(yīng)是指在溝道長度縮小的情況下，由于電場的非均勻分布，使得溝道的控制區(qū)域變窄。這需要更高的門電場來形成正常的溝道，導(dǎo)致閾值電壓的偏移。

數(shù)量擺動：在短溝道MOSFET中，電子在溝道中的數(shù)量擺動現(xiàn)象也會顯著增加。數(shù)量擺動是指電子在溝道中的數(shù)目有所波動，導(dǎo)致子閾值電流的不穩(wěn)定性。

短溝道效應(yīng)的特點

（1）影響閾值電壓的短溝、窄溝效應(yīng)

（2）遷移率場相關(guān)效應(yīng)及載流子速度飽和效應(yīng)

（3）影響器件壽命的熱載流子效應(yīng)

（4）亞閾特性退化，器件夾不斷

短溝道效應(yīng)顯著特點：

漏電流增加：短溝道效應(yīng)導(dǎo)致了漏電流的明顯增加。這是由于電子在短溝道中的散射和速度增加引起的。

閾值電壓偏移：短溝道效應(yīng)會導(dǎo)致閾值電壓的偏移。隨著溝道長度縮短，需要更高的門電場來控制和形成正常的溝道。

子閾值擺動：短溝道效應(yīng)引起了子閾值電流的擺動。由于溝道長度減小，散射和隧穿效應(yīng)導(dǎo)致了子閾值電流的不穩(wěn)定性。

限制頻率提高：由于短溝道MOSFET的特殊結(jié)構(gòu)和效應(yīng)，它們具有更高的響應(yīng)速度和更高的限制頻率。

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