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1、 5.8 短沟道效应短沟道效应 当当 MOSFET 的沟道长度的沟道长度 L时，时， 分立器件：分立器件： 集成电路：集成电路： 但是随着但是随着 L 的缩短，将有一系列在普通的缩短，将有一系列在普通 MOSFET 中不明显中不明显的现象在短沟道的现象在短沟道 MOSFET 中变得严重起来，这一系列的现象统中变得严重起来，这一系列的现象统称为称为 “ “ 短沟道效应短沟道效应短沟道效应短沟道效应 ” ” 。 5.8.1 5.8.1 小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 1 1、阈电压的短沟道效应阈电压的短沟道效应阈电压的短沟道效应阈电压的短沟道效应 实验发现，当实验发现，当 MOSFET
2、的沟道长度的沟道长度 L 缩短到可与源、漏区缩短到可与源、漏区的结深的结深 xj 相相比拟时，阈电压比拟时，阈电压 VT 将随着将随着 L 的缩短而减小，这就是的缩短而减小，这就是 阈电压的短沟道效应阈电压的短沟道效应阈电压的短沟道效应阈电压的短沟道效应 。 代表沟道下耗尽区的电离代表沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度杂质电荷面密度 。考虑漏源区的影响后，。考虑漏源区的影响后，QA 应改为平均电荷应改为平均电荷面密度面密度 QAG 。 原因：漏源区对原因：漏源区对原因：漏源区对原因：漏源区对 Q QA A 的影响的影响的影响的影响 减小阈电压短沟道效应的措施减小阈电压短沟道效应的措施 2 2、阈
3、电压的窄沟道效应、阈电压的窄沟道效应、阈电压的窄沟道效应、阈电压的窄沟道效应 实验发现，当实验发现，当 MOSFET 的沟道宽度的沟道宽度 Z 很小时，阈电压很小时，阈电压 VT 将随将随 Z 的减小而增大。这个现象称为的减小而增大。这个现象称为 阈电压的窄沟道效应阈电压的窄沟道效应阈电压的窄沟道效应阈电压的窄沟道效应。 当当 VGS VT 且继续增大时，垂直方向的电场且继续增大时，垂直方向的电场 E x 增大，表面增大，表面散射进一步增大，散射进一步增大， 将随将随 VGS 的增大而下降，的增大而下降， 式中，式中， 5.8.2 5.8.2 迁移率调制效应迁移率调制效应迁移率调制效应迁移率调
4、制效应 1 1、V VGSGS 对对对对 的影响的影响的影响的影响 当当 VGS 较小时，较小时， 式中，式中， N 沟道沟道 MOSFET 中的典型值为中的典型值为 2 2、V VDSDS 对对对对 的影响的影响的影响的影响 VDS 产生水平方向的电场产生水平方向的电场 Ey 。当当 Ey 很大时，载流子速度将很大时，载流子速度将趋于饱和。简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的趋于饱和。简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的 v Ey 关系，关系， = = v = = vmaxvEy0EC 已知已知 V VDsatDsat = = = = V VGSGS V VT T 为使沟道夹断的饱和
5、漏源电压，也就为使沟道夹断的饱和漏源电压，也就是使是使 Q Qn n( (L L) ) = = = = 0 0 的饱和漏源电压。的饱和漏源电压。 3 3、速度饱和对饱和漏源电压的影响、速度饱和对饱和漏源电压的影响、速度饱和对饱和漏源电压的影响、速度饱和对饱和漏源电压的影响 短沟道短沟道 MOSFET 中，因沟道长度中，因沟道长度 L 很小，很小， 很高，很高，使漏极附近的沟道尚未被夹断之前，使漏极附近的沟道尚未被夹断之前，Ey 就达到了临界电场就达到了临界电场 EC ，载流子速度载流子速度 v (L) 就达到了饱和值就达到了饱和值 vmax ，从而使从而使 ID 饱和。饱和。 现设现设 V V
6、 DsatDsat 为使为使 v v ( (L L) ) = = = = v vmaxmax 的饱和漏源电压。经计算，的饱和漏源电压。经计算， 可见，可见，V Dsat 总是小于总是小于 VDsat 。 对于普通对于普通 MOSFET， 对于短沟道对于短沟道 MOSFET， 特点：特点：特点：特点：饱和漏源电压正比于饱和漏源电压正比于 L，将随将随 L 的缩短而减小。的缩短而减小。 特点：特点：特点：特点：饱和漏源电压与饱和漏源电压与 L 无关。无关。 设设 I I DsatDsat 为使为使 v v ( (L L) ) = = = = v vmaxmax 的的漏极饱和电流，经计算，漏极饱和电
7、流，经计算， 4 4、速度饱和对饱和漏极电流的影响、速度饱和对饱和漏极电流的影响、速度饱和对饱和漏极电流的影响、速度饱和对饱和漏极电流的影响 特点：特点：特点：特点： 对于短沟道对于短沟道 MOSFET， 对于普通对于普通 MOSFET， 特点：特点：特点：特点： 普通普通 MOSFET 在饱和区的跨导为在饱和区的跨导为 特点：特点：特点：特点： 短沟道短沟道 MOSFET 在饱和区的跨导为在饱和区的跨导为 特点：特点：特点：特点： 与与 ( VGS - -VT ) 及及 L 均不再有关，这称为均不再有关，这称为 跨导的跨导的跨导的跨导的饱和饱和饱和饱和。 5 5、速度饱和对跨导的影响、速度饱
8、和对跨导的影响、速度饱和对跨导的影响、速度饱和对跨导的影响 6 6、速度饱和对最高工作频率的影响、速度饱和对最高工作频率的影响、速度饱和对最高工作频率的影响、速度饱和对最高工作频率的影响 由式由式 (5-142b)，普通普通 MOSFET 的饱和区的饱和区最高工作频率最高工作频率为为 特点：特点：特点：特点：fT 正比于正比于 ( VGS VT )，反比于反比于 L2 。 将短沟道将短沟道 MOSFET 的饱和区跨导代入式的饱和区跨导代入式 ( 5-142b ) ，得短得短沟道沟道 MOSFET 的饱和区的饱和区最高工作频率最高工作频率为为 特点：特点：特点：特点：f T 与与 VGS 无关，
9、反比于无关，反比于 L 。 5.8.3 5.8.3 漏诱生势垒降低漏诱生势垒降低漏诱生势垒降低漏诱生势垒降低 ( ( DIBL ) DIBL ) 效应效应效应效应 当当 MOSFET 的沟道很短时，漏的沟道很短时，漏 PN 结上的反偏会对源结上的反偏会对源 PN 结结发生影响，使漏源之间的势垒高度降低，从而有电子从源发生影响，使漏源之间的势垒高度降低，从而有电子从源 PN 结结注入沟道区，使注入沟道区，使 ID 增大。增大。 L 缩短后，缩短后，ID VGS 特性曲线中由指数关系过渡到平方特性曲线中由指数关系过渡到平方关系的转折电压（即阈电压关系的转折电压（即阈电压 VT ）减小。减小。 普通
10、普通 MOSFET 的的 IDsub 当当 VDS (3 5) (kT/ /q) 后与后与 VDS 无关，短沟道无关，短沟道 MOSFET 的的 IDsub 则一直与则一直与 VDS 有关。有关。 亚阈区栅源电压摆幅亚阈区栅源电压摆幅的值的值 随随 L 的缩短而增的缩短而增大，这表明短沟道大，这表明短沟道 MOSFET 的的 VGS 对对 IDsub 的控制能力变弱，使的控制能力变弱，使 MOSFET 难以截止。难以截止。 1 1、表面、表面、表面、表面 DIBLDIBL 效应效应效应效应 VFB VGS VT 时，能带在表面处往下弯，势垒的降低主要时，能带在表面处往下弯，势垒的降低主要发生在
11、表面，它使亚阈电流发生在表面，它使亚阈电流 IDsub 产生如下特点：产生如下特点： 2 2、体内、体内、体内、体内 DIBLDIBL 效应效应效应效应 VGS VFB 时，能带在表面处往上弯，表面发生积累，势垒时，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。而穿通电流基本上不受上不受 VGS 控制，它也使控制，它也使 MOSFET 难以截止。难以截止。 衬底电流的特点：衬底电流的特点：Isub 随随 VGS 的增大先增加，然后再减小，的增大先增加，然后再减小，最后达到最后达到 PN 结反向饱和电流的大小
12、。结反向饱和电流的大小。 1 1、衬底电流、衬底电流、衬底电流、衬底电流 I Isubsub 夹断区内因碰撞电离而产生电子空穴对，电子从漏极流出夹断区内因碰撞电离而产生电子空穴对，电子从漏极流出而成为而成为 ID 的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流 Isub 。 5.8.4 5.8.4 强电场效应强电场效应强电场效应强电场效应 原因：原因：原因：原因：衬底电流可表为衬底电流可表为 ；而夹断区内的电场；而夹断区内的电场可表为可表为 当当 VGS 较大时，较大时，ID 的增大不如的增大不如 i 的减小，使的减小，使 Isub 减小减小。 对于固定的对于
13、固定的 VDS ，当当 VGS 增大时，增大时，ID 增加；但增加；但 Ey 减小，使减小，使 i 减小，即减小，即 当当 VGS 较小时，较小时，ID 的增大超过的增大超过 i 的减小，使的减小，使 Isub 增加。增加。 当当 VGS 增大到使碰撞电离消失时，增大到使碰撞电离消失时，Isub 成为漏成为漏 PN 结的反向结的反向饱和电流。饱和电流。当当 VGS 增大时增大时 2 2、击穿特性、击穿特性、击穿特性、击穿特性 第一类，正常雪崩击穿第一类，正常雪崩击穿 特点：特点：特点：特点：漏源击穿电压漏源击穿电压 BVDS 随栅源电压随栅源电压 VGS 的增大而增大，的增大而增大，并且是硬击
14、穿。这一类击穿主要发生在并且是硬击穿。这一类击穿主要发生在 P 沟道沟道 MOSFET（包括包括短沟道）与长沟道短沟道）与长沟道 N 沟道沟道 MOSFET 中。中。 第二类，横向双极击穿第二类，横向双极击穿 特点：特点：特点：特点：BVDS 随随 VGS 的增大先减小再增大，其包络线为的增大先减小再增大，其包络线为 C 形，形，并且是软击穿，主要发生在并且是软击穿，主要发生在 N 沟道短沟道沟道短沟道 MOSFET 中。中。 衬底电流在衬底电阻上所产生衬底电流在衬底电阻上所产生的电压的电压 Vbs = = Isub Rsub ，对横向寄生对横向寄生双极晶体管的发射结为正偏压，使双极晶体管的发
15、射结为正偏压，使寄生晶体管处于放大区。当集电结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极晶体管的共发射极雪崩击穿条件因为因为 ，所以，所以， 时，就会使时，就会使 IC ，从而发生横向双极击穿。从而发生横向双极击穿。这使这使 N 沟道沟道 MOSFET 更容易发生横向双极击穿。更容易发生横向双极击穿。 3 3、热电子效应、热电子效应、热电子效应、热电子效应 沟道中漏附近能量较大的电子称为沟道中漏附近能量较大的电子称为 热电子热电子热电子热电子，热电子若具有，热电子若具有克服克服 Si SiO2 间势垒间势垒 ( 约
16、约 3.1 eV ) 的能量，就能进入栅氧化层。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 ，其余部分则其余部分则陷在陷在 SiO2 的电子陷阱中。这些电子将随时间而积累，长时期后的电子陷阱中。这些电子将随时间而积累，长时期后将对将对 MOSFET 的性能产生如下影响：的性能产生如下影响： (a) VT 向正方向漂移，即向正方向漂移，即 VT 随时间而逐渐增大。随时间而逐渐增大。 (b) 因迁移率下降而导致跨导因迁移率下降而导致跨导 gm 的退化。的退化。 (c) 因界面态密度增大而导致亚阈电流因界面态密度增大而导致亚阈电流
17、 IDsub 的增大。的增大。 由于热电子效应与由于热电子效应与 IG 成比例，所以可用测量成比例，所以可用测量 IG 的大小推算的大小推算热电子效应的大小。热电子效应的大小。IG 与与 VDS 、VGS 及及 L 有关。有关。IG 随随 VDS 的增加的增加而增加。对于而增加。对于 VGS ，则在则在 VGS = = VDS 附近出现峰值。附近出现峰值。IG 随随 L 的缩的缩短而增加。短而增加。 为了防止为了防止 MOSFET 性能的过分退化，必须对性能的过分退化，必须对 VDS 设立一个设立一个限制。在限制。在 VGS = = VDS（ 此时此时 IG 最大最大 ）条件下，使单位栅宽的）条件下，使单位栅宽的 IG 达到达到 1.510- -15 A/ / m 时的时的 VDS ，称为称为 最高漏源使用电压最高漏源使用电压最高漏源使用电压最高漏源使用电压，记为，记为 BVBVDC DC 。在这个使用条件下，在这个使用条件下，VT 在在 10 年后增大约年后增大约 10 mV。这样，这样，限制短沟道限制短沟道 MOSFET 的的 VDS 的就不再是雪崩击穿或漏源穿通的就不再是雪崩击穿或漏源穿通 ，而是受热电子效应限制的而是受热电子效应限制的 BVDC 。
