§4-7 短沟道效应 当 L↓时， 分立器件： 集成电路：

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1 §4-7 短沟道效应 当 L↓时， 分立器件： 集成电路：
§4-7 短沟道效应 当 L↓时， 分立器件： 集成电路： 但是随着 L 的缩短 ，将有一系列在普通 MOSFET 中不明显的现象在短沟道 MOSFET 中变得很严重，这一系列的现象统称为 “ 短沟道效应 ” 。

2 1、VT 的短沟道效应 原因：漏源区对 QA 的影响。 已知： 上式中， 为沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度。

3 考虑到漏源区的影响后，QA 应当改为平均电荷面密度 QAG ：
减小 VT 短沟道效应的措施：

4 2 、 迁移率调制效应 (1) VGS（纵向电场 Ex ） 对 μ 的影响 当 VGS 较小时： 当 VGS > VT 且继续增大时，垂直方向的电场 E x 增大，使表面散射进一步增大，μ 将随 VGS 的增大而下降： 上式中， ，于是有：

5 上式中， N 沟道 MOSFET 中的典型值为:

6 v vmax v = (2) VDS（横向电场 Ey ）对 μ 的影响
VDS 将产生水平方向的电场 Ey ，当 Ey 很大时，载流子速度将趋于饱和。作为一种最简单的近似方法，可以用二段直线来描述载流子的 v ～Ey 关系： μ = v vmax v = Ey EC

7 (3) 考虑速度饱和后的饱和漏极电流 短沟道MOSFET中，因沟道长度 L 很小， 很高，使漏极附近有可能在沟道尚未被夹断之前， Ey 就达到了EC ，载流子速度就达到了饱和值 vmax ，从而使 ID 饱和。 已知 VD sat = VGS -VT 为使沟道夹断的饱和电压，也就是使Q ( L ) = 0 的饱和电压。 现设 为使 v ( L ) = vmax 的饱和电压。经计算：

8 由上式可见， 总是小于 。 对于普通 MOSFET， 特点：饱和电压与 L 无关。 对于短沟道 MOSFET， 特点：饱和电压正比于 L ，将随 L 的缩短而减小。 设 为考虑速度饱和后的漏极饱和电流，经计算：

9 对于普通 MOSFET， 特点： 对于短沟道 MOSFET， 特点：

10 (4) 跨导 gms 的饱和 普通 MOSFET在饱和区的跨导为： 特点： 短沟道 MOSFET在饱和区的跨导为： 特点： 与 ( VGS -VT ) 及 L 均不再有关，这称为跨导的饱和。

11 3、DIBL（漏诱生势垒降低）效应 当 MOSFET的沟道很短时，漏PN 结上的反偏会对源PN 结发生影响，使漏、源之间的势垒高度降低，从而有电子从源PN结注入沟道区，使 ID 增大。 (1) 表面 DIBL 效应 当VFB < VGS < VT 时，能带在表面处往下弯，势垒的降低主要发生在表面，它使亚阈电流 ID sub 产生如下的特点：

12 在普通 MOSFET中： ① 当 L 缩短后，ID ～VGS 特性曲线中由指数关系过渡到平方关系的转折电压（即阈电压VT ）减小。

13 ② 普通 MOSFET的 ID sub 当 VDS > ( 3～5 )( kT / q ) 后与VDS 无关，短沟道 MOSFET的 ID sub 则一直与 VDS 有关。
③亚阈区转移特性斜率倒数 的值随 L 的缩短而增大，表明短沟道 MOSFET中的VGS 对 ID sub 的控制能力变弱，使 MOSFET 难以截止。

14 (2) 体内 DIBL 效应 当VGS < VFB 时，能带在表面处往上弯，表面发生积累，势垒的降低主要发生在体内，造成体内穿通电流。而穿通电流基本上不受 VGS 控制，它也使 MOSFET 难以截止。 4 、强电场效应 (1) 衬底电流 Isub ：沟道夹断区内因碰撞电离而产生的电子空穴对中，电子从漏极流出而成为 ID 的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流 Isub 。 衬底电流的特点： Isub 随 VGS 的增大先增加，然后再减小，最后达到 PN 结反向饱和电流的大小。

15 原因：衬底电流可表为： ，对于固定的VDS ，当 VGS 增大时，ID 增加；但另一方面，夹断区内的电场可表示为：
当VGS 增大时，Ey 减小，使 αi 减小，即： 当 VGS 较小时，ID 的增大超过 αi 的减小，使 Isub 增加。 当 VGS 较大时，ID 的增大不如 αi 的减小，使 Isub 减小。 当 VGS 增大到使碰撞电离消失时，Isub 成为漏PN 结的反向饱和电流。

16 衬底电流在衬底电阻上所产生的电压 对横向寄生双极晶体管的发射结为正偏压，使寄生晶体管处于放大区。当集电结耗尽区中的电场强度增大到满足双极晶体管的共发射极雪崩击穿条件
(2) 横向双极击穿 时，就会使 ，从而发生横向双极击穿。 因为 ，所以有： 这使 N 沟 MOSFET 更容易发生横向双极击穿。

17 (3) 热电子效应 沟道漏附近能量较大的电子称为 热电子，热电子若具有能克服 Si ～SiO2 间势垒（约3.1eV）的能量，就能进入栅氧化层。这些电子中的一部分从栅极流出构成栅极 电流 IG ，其余部分则陷在 SiO2 的电子陷阱中。这些电子将随时间而积累，长时期后将对MOSFET的性能产生如下影响： (a) VT 向正方向漂移，即 VT 随时间而逐渐增大。 (b) 因迁移率下降而导致跨导 gm 的退化。 (c) 因界面态密度增大而导致亚阈电流 ID sub 的增大。

18 由于热电子效应与 IG 成比例，所以可用测量 IG 的大小来推算热电子效应的大小。 IG 与 VDS 、VGS 及 L 有关。IG 随VDS 的增加而增加。对于VGS ，则在 VGS = VDS 附近出现峰值。IG 随 L 的缩短而增加。 为了防止 MOSFET 性能的过分退化，必须对 VDS 有一个限制。在 VGS = VDS （ 此时 IG 最大 ）的条件下，把使 IG 达到 1.5х10-15A / μm 时的VDS ，称为 最高漏源使用电压，记为 BVDC 。在这个使用条件下，VT 在10年后增大 10 mV 。这样，对短沟道MOSFET 来说限制 VDS 的将不再是雪崩击穿或漏源穿通，而是受热电子效应限制的 BVDC 。

19 5 、减小短沟道效应的措施 除了采用一些特殊的结构外，在 VLSI 中，主要采用按比例缩小法则。这里介绍最简单的 恒场按比例缩小法则： 设 K 为缩小因子，K >1 。恒场按比例缩小法则 要求： 这时器件性能的改变如下：

20 恒场按比例缩小法则的限制因素： （1）电压的限制 等都不能按比例缩小。如： （2）耗尽层厚度 xd 不能按比例缩小。 （3）寄生电阻的限制。