小尺寸MOSFET：MOS管在小尺寸下的效應分析-KIA MOS管

MOS管小尺寸下的效應分析

MOS管在小尺寸下的效應，主要是小尺寸下的高電場（包括垂直和水平電場）引起的問題，包括遷移率退化，熱載流子以及 DIBL 等問題。

關于垂直電場

隨著 MOSFET 的柵氧化層厚度的減小，垂直電場越來越強，會減小溝道中載流子的有效遷移率。

MOS管小尺寸效應

具體的理解可以考慮：垂直電場使溝道中載流子靠近表面，表面的缺陷會阻礙載流子由源到漏的移動，從而減小遷移率。

關于水平電場

在高水平電場作用時，載流子速度不再正比于電場強度，而是會發生速度飽和。這樣的處于飽和速度的載流子也稱為熱載流子。

MOS管小尺寸效應

關于熱載流子：

熱載流子碰撞離化和雪崩過程產生的電子-空穴對，會導致漏到襯底的電流，如下圖中所示.

MOS管小尺寸效應

這一電流會限制漏與地之間的最大阻抗，同時可能在襯底上引起壓降，導致 latch-up 問題。

熱載流子的另一效應是，這些電子可能獲得足夠的能量隧穿通過薄柵氧層，從而導致直流的柵電流，更重要的是，柵氧可能俘獲這些電荷，從而使得晶體管的閾值電壓發生改變。

此外，熱載流子在獲得足夠能量時，可能會導致晶體管的源漏穿通。

短溝器件的另一個問題是，晶體管的輸出阻抗會減小，這是由于漏端的耗盡區的變化（影響有效溝長）從而使漏電流增加；

另外 DIBL（Drain Induced Barrier Lowering）作用（當溝道長度減小、電壓Vds增加、使得漏結與源結的耗盡層靠近時，溝道中的電力線可以從漏區穿越到源區，并導致源極端勢壘高度降低，從而源區注入到溝道的電子數量增加，結果漏極電流增加。溝道長度越短，DIBL效應就越嚴重），會使得閾值在漏端電壓升高時減小，使得短溝器件的輸出阻抗進一步減小。