短溝道效應,短溝道效應的產生及特點-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2023-10-09
短溝道效應（short-channel effects），當金屬氧化物半導體場效應管的導電溝道長度降低到十幾納米、甚至幾納米量級時，晶體管出現的一些效應。這些效應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。短溝道效應會顯著影響MOSFET的性能和可靠性。
解釋一：短溝道效應主要是指閾值電壓與溝道相關到非常嚴重的程度。
解釋二：溝道長度減小到一定程度后出現的一系列二級物理效應統稱為短溝道效應。如漏致勢壘降低（DIBL），隨著漏源電壓的增大，漏襯反偏PN結空間電荷區展寬，則溝道的有效長度減小，此在短溝道中尤為明顯， 嚴重會導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）效應導致的漏電。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：當溝道長度足夠短時，閾值電壓與溝道長度出現了強關聯，溝道長度減少，閾值電壓減少。
如圖所示：
電子散射：當溝道長度縮短到與電子平均自由程相當或更短時，電子在溝道中會發生散射現象。這些散射事件導致電子能量和速度增加，從而增加了漏電流。
隧穿效應：在短溝道MOSFET中，由于溝道長度很短，電子可以通過隧穿效應穿越壘壁，從源極隧穿到漏極。這會導致漏電流的進一步增加。
強限制效應：短溝道MOSFET中的強限制效應是指在溝道長度縮小的情況下，由于電場的非均勻分布，使得溝道的控制區域變窄。這需要更高的門電場來形成正常的溝道，導致閾值電壓的偏移。
數量擺動：在短溝道MOSFET中，電子在溝道中的數量擺動現象也會顯著增加。數量擺動是指電子在溝道中的數目有所波動，導致子閾值電流的不穩定性。
（1）影響閾值電壓的短溝、窄溝效應
（2）遷移率場相關效應及載流子速度飽和效應
（3）影響器件壽命的熱載流子效應
（4）亞閾特性退化，器件夾不斷
短溝道效應顯著特點：
漏電流增加：短溝道效應導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：短溝道效應會導致閾值電壓的偏移。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，散射和隧穿效應導致了子閾值電流的不穩定性。
限制頻率提高：由于短溝道MOSFET的特殊結構和效應，它們具有更高的響應速度和更高的限制頻率。
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