短沟道效应课件

4.7短沟道效应

当

MOSFET

的沟道长度

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

中变得严重起来，这一系列的现象统称为“短沟道效应”。4.7短沟道效应当MOSFE

4.7.1小尺寸效应

1、阈电压的短沟道效应

实验发现，当

MOSFET

的沟道长度

L

缩短到可与源、漏区的结深

xj相比拟时，阈电压

VT将随着

L

的缩短而减小，这就是

阈电压的短沟道效应

。

4.7.1小尺寸效应1、阈电压的短沟

代表沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度。考虑漏源区的影响后，QA

应改为平均电荷面密度

QAG

。

原因：漏源区对

QA

的影响

短沟道效应课件

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、阈电压的窄沟道效应

实验发现，当

MOSFET

的沟道宽度

Z

很小时，阈电压

VT将随

Z

的减小而增大。这个现象称为

阈电压的窄沟道效应。

2、阈电压的窄沟道效应实验发

当

VGS

>

VT

且继续增大时，垂直方向的电场

Ex

增大，表面散射进一步增大，将随

VGS

的增大而下降，

式中，

4.7.2迁移率调制效应

1、VGS

对

的影响

当

VGS

较小时，当VGS>VT且继续增大时，垂直方

式中，N

沟道

MOSFET

中的典型值为式中，

2、VDS

对

的影响

VDS

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。简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的v~

Ey

关系，

=

v

=

vmaxvEy0EC2、VDS对的影响

已知

VDsat

=

VGS

–

VT

为使沟道夹断的饱和漏源电压，也就是使

Qn(L)=

0

的饱和漏源电压。

3、速度饱和对饱和漏源电压的影响

短沟道

MOSFET

中，因沟道长度

L

很小，很高，使漏极附近的沟道尚未被夹断之前，Ey

就达到了临界电场

EC，载流子速度v

(L)

就达到了饱和值vmax

，从而使

ID

饱和。

现设

VDsat

为使v

(L)=

vmax

的饱和漏源电压。经计算，已知VDsat=VGS–VT为

可见，VDsat总是小于

VDsat。

对于普通

MOSFET，

对于短沟道

MOSFET，

特点：饱和漏源电压正比于

L，将随

L

的缩短而减小。

特点：饱和漏源电压与

L

无关。可见，VDsat总是小于VDsat

设IDsat

为使v

(L)=

vmax

的漏极饱和电流，经计算，

4、速度饱和对饱和漏极电流的影响设IDsat为使v(L)=vm

特点：

对于短沟道

MOSFET，

对于普通

MOSFET，

特点：特点：对于短沟道MOSFET，

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。

5、速度饱和对跨导的影响普通MOSFET在饱和区的跨导为

6、速度饱和对最高工作频率的影响

由式(5-142b)，普通

MOSFET

的饱和区最高工作频率为

特点：fT

正比于

(

VGS

–

VT)，反比于

L2。

将短沟道

MOSFET

的饱和区跨导代入式(5-142b)，得短沟道

MOSFET

的饱和区最高工作频率为

特点：fT

与

VGS

无关，反比于

L。

6、速度饱和对最高工作频率的影响

4.7.3漏诱生势垒降低(DIBL)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。4.7.3漏诱生势垒降低(DIBL)效应①L

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。②普通

MOSFET

的

IDsub

当

VDS>(3~

5)

(kT/q)后与

VDS

无关，短沟道

MOSFET

的

IDsub

则一直与

VDS

有关。③亚阈区栅源电压摆幅的值随

L

的缩短而增大，这表明短沟道

MOSFET

的

VGS

对

IDsub

的控制能力变弱，使MOSFET

难以截止。

1、表面

DIBL

效应

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

IDsub

产生如下特点：①L缩短后，ID~VGS特性曲

2、体内

DIBL

效应

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。2、体内DIBL效应

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。

1、衬底电流

Isub

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

ID

的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流

Isub。

4.7.4强电场效应衬底电流的特点：Isub随VGS的增大

原因：衬底电流可表为；而夹断区内的电场可表为

当

VGS较大时，ID

的增大不如

αi

的减小，使

Isub减小。

对于固定的

VDS，当

VGS

增大时，ID

增加；但

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

增大到使碰撞电离消失时，Isub

成为漏

PN

结的反向饱和电流。当

VGS

增大时原因：衬底电流可表为

2、击穿特性

第一类，正常雪崩击穿

特点：漏源击穿电压

BVDS

随栅源电压

VGS

的增大而增大，并且是硬击穿。这一类击穿主要发生在

P

沟道

MOSFET（包括短沟道）与长沟道

N

沟道

MOSFET

中。2、击穿特性第一类，正常雪崩

第二类，横向双极击穿

特点：BVDS

随

VGS

的增大先减小再增大，其包络线为

C

形，并且是软击穿，主要发生在

N

沟道短沟道

MOSFET

中。第二类，横向双极击穿

衬底电流在衬底电阻上所产生的电压Vbs

=

IsubRsub，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因为，所以，

时，就会使

IC→

∞，从而发生横向双极击穿。这使

N

沟道

MOSFET

更容易发生横向双极击穿。衬底电流在衬底电阻上所产生的电压Vbs=

3、热电子效应

沟道中漏附近能量较大的电子称为

热电子，热电子若具有克服

Si~

SiO2间势垒(约

3.1

eV)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

IDsub

的增大。3、热电子效应沟道中漏附近

由于热电子效应与

IG

成比例，所以可用测量

IG

的大小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设立一个限制。在

VGS

=

VDS（此时

IG

最大）条件下，使单位栅宽的

IG达到

1.5×10-15

A/

m

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

年后增大约

10

mV。这样，限制短沟道

MOSFET

的

VDS

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

BVDC

。由于热电子效应与IG成比例，所以可用测量

1、表面势的准二维求解

忽约可动电荷，在以耗尽区宽度xdmax为高度和宽度△y的矩形区域中运用高斯定律

4.7.5表面势和阈值电压准二维分析当MOSFET的沟道长度L↓时，源和漏的影响愈来愈显著，电场电势呈现二维分布，短沟道效应与漏致势垒降低效应愈加明显。要准确得到短沟道MOSFET阈值电压的表达式，需要求解二维泊松方程，1、表面势的准二维求解4.7.5求解得到器件沟道区的表面势以衬底为电势零点，边界条件为：得到表面势长沟道表面势特征长度求解得到器件沟道区的表面势以衬底为电势零点，边界条件为：得到沟道的表面势是长沟道表面势与源/漏分支电场对其影响之和。随着沟道长度的减小或漏电压的增大，表面势极小值增加，对应于电子势垒减小。沟道长度减小的短沟道效应和漏电压增加的漏致势垒降低效应，使得源漏间的电子势垒减小，电子愈加容易越过势垒形成漏源泄漏电流。沟道的表面势是长沟道表面势与源/漏分支电场对其影响之和。2、阈值电压表达式

求解器件表面势的最小值,并使其最小值等于2φFp，此时的栅压即为器件的阈值电压，即：可得出准二维分析的阈值电压表达式：其中VT0是不考虑源漏影响的长沟道器件的阈值电压：2、阈值电压表达式可得出准二维分析的阈值电压表达式：其中△VT是阈值电压退化量，表明了短沟道MOSFET漏源对阈值电压的影响。随着沟道长度缩小，△VT指数增大；随着漏源电压增大，阈值电压近似线性的下降，该模型可以准确地描述短沟道效应和漏致势垒下降效应T。在沟道长度L一定的情况下，减小特征长度λ0可以极大地改善源和漏引入的短沟道效应。△VT是阈值电压退化量，表明了短沟道MOSFET漏源对阈值电4.7短沟道效应

当

MOSFET

的沟道长度

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

中变得严重起来，这一系列的现象统称为“短沟道效应”。4.7短沟道效应当MOSFE

4.7.1小尺寸效应

1、阈电压的短沟道效应

实验发现，当

MOSFET

的沟道长度

L

缩短到可与源、漏区的结深

xj相比拟时，阈电压

VT将随着

L

的缩短而减小，这就是

阈电压的短沟道效应

。

4.7.1小尺寸效应1、阈电压的短沟

代表沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度。考虑漏源区的影响后，QA

应改为平均电荷面密度

QAG

。

原因：漏源区对

QA

的影响

短沟道效应课件

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、阈电压的窄沟道效应

实验发现，当

MOSFET

的沟道宽度

Z

很小时，阈电压

VT将随

Z

的减小而增大。这个现象称为

阈电压的窄沟道效应。

2、阈电压的窄沟道效应实验发

当

VGS

>

VT

且继续增大时，垂直方向的电场

Ex

增大，表面散射进一步增大，将随

VGS

的增大而下降，

式中，

4.7.2迁移率调制效应

1、VGS

对

的影响

当

VGS

较小时，当VGS>VT且继续增大时，垂直方

式中，N

沟道

MOSFET

中的典型值为式中，

2、VDS

对

的影响

VDS

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。简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的v~

Ey

关系，

=

v

=

vmaxvEy0EC2、VDS对的影响

已知

VDsat

=

VGS

–

VT

为使沟道夹断的饱和漏源电压，也就是使

Qn(L)=

0

的饱和漏源电压。

3、速度饱和对饱和漏源电压的影响

短沟道

MOSFET

中，因沟道长度

L

很小，很高，使漏极附近的沟道尚未被夹断之前，Ey

就达到了临界电场

EC，载流子速度v

(L)

就达到了饱和值vmax

，从而使

ID

饱和。

现设

VDsat

为使v

(L)=

vmax

的饱和漏源电压。经计算，已知VDsat=VGS–VT为

可见，VDsat总是小于

VDsat。

对于普通

MOSFET，

对于短沟道

MOSFET，

特点：饱和漏源电压正比于

L，将随

L

的缩短而减小。

特点：饱和漏源电压与

L

无关。可见，VDsat总是小于VDsat

设IDsat

为使v

(L)=

vmax

的漏极饱和电流，经计算，

4、速度饱和对饱和漏极电流的影响设IDsat为使v(L)=vm

特点：

对于短沟道

MOSFET，

对于普通

MOSFET，

特点：特点：对于短沟道MOSFET，

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。

5、速度饱和对跨导的影响普通MOSFET在饱和区的跨导为

6、速度饱和对最高工作频率的影响

由式(5-142b)，普通

MOSFET

的饱和区最高工作频率为

特点：fT

正比于

(

VGS

–

VT)，反比于

L2。

将短沟道

MOSFET

的饱和区跨导代入式(5-142b)，得短沟道

MOSFET

的饱和区最高工作频率为

特点：fT

与

VGS

无关，反比于

L。

6、速度饱和对最高工作频率的影响

4.7.3漏诱生势垒降低(DIBL)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。4.7.3漏诱生势垒降低(DIBL)效应①L

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。②普通

MOSFET

的

IDsub

当

VDS>(3~

5)

(kT/q)后与

VDS

无关，短沟道

MOSFET

的

IDsub

则一直与

VDS

有关。③亚阈区栅源电压摆幅的值随

L

的缩短而增大，这表明短沟道

MOSFET

的

VGS

对

IDsub

的控制能力变弱，使MOSFET

难以截止。

1、表面

DIBL

效应

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

IDsub

产生如下特点：①L缩短后，ID~VGS特性曲

2、体内

DIBL

效应

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。2、体内DIBL效应

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。

1、衬底电流

Isub

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

ID

的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流

Isub。

4.7.4强电场效应衬底电流的特点：Isub随VGS的增大

原因：衬底电流可表为；而夹断区内的电场可表为

当

VGS较大时，ID

的增大不如

αi

的减小，使

Isub减小。

对于固定的

VDS，当

VGS

增大时，ID

增加；但

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

增大到使碰撞电离消失时，Isub

成为漏

PN

结的反向饱和电流。当

VGS

增大时原因：衬底电流可表为

2、击穿特性

第一类，正常雪崩击穿

特点：漏源击穿电压

BVDS

随栅源电压

VGS

的增大而增大，并且是硬击穿。这一类击穿主要发生在

P

沟道

MOSFET（包括短沟道）与长沟道

N

沟道

MOSFET

中。2、击穿特性第一类，正常雪崩

第二类，横向双极击穿

特点：BVDS

随

VGS

的增大先减小再增大，其包络线为

C

形，并且是软击穿，主要发生在

N

沟道短沟道

MOSFET

中。第二类，横向双极击穿

衬底电流在衬底电阻上所产生的电压Vbs

=

IsubRsub，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因为，所以，

时，就会使

IC→

∞，从而发生横向双极击穿。这使

N

沟道

MOSFET

更容易发生横向双极击穿。衬底电流在衬底电阻上所产生的电压Vbs=

3、热电子效应

沟道中漏附近能量较大的电子称为

热电子，热电子若具有克服

Si~

SiO2间势垒(约

3.1

eV)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

IDsub

的增大。3、热电子效应沟道中漏附近

由于热电子效应与

IG

成比例，所以可用测量

IG

的大小推算热