短溝道效應

短溝道效應：緩變溝道的近似不再成立，這個二維電勢分布會導致閾值電壓隨L的縮短而下降，亞閾值特徵的降級以及由於隧穿穿透效應而使電流飽和失效，在溝道出現二維電勢分布以及高電場，這些不同於長溝道MOS場效應電晶體特性的現象，統稱為短溝道效應。

基本介紹

• 中文名：短溝道效應
• 外文名：Short-channel effects
• 屬性：短溝道
• 性質：效應

簡介

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後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。

內容

短溝道效應（英語：short-channel effects）是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，電晶體出現的一些效應。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。

特點

（1）影響閾值電壓的短溝、窄溝效應

溝道長度減小到一定程度後,源、漏結的耗盡區在整個溝道中所占的比重增大,柵下面的矽表面形成反型層所需的電荷量減小,因而閾值電壓減小。同時襯底內耗盡區沿溝道寬度側向展寬部分的電荷使閾值電壓增加。當溝道寬度減小到與耗盡層寬度同一量級時，閾值電壓減小變得十分顯著。短溝道器件閾值電壓對溝道長度的變化非常敏感。

（2）遷移率場相關效應及載流子速度飽和效應

低場下遷移率是常數,載流子速度隨電場線性增加。高場下遷移率下降,載流子速度達到飽和,不再與電場有關。速度飽和對器件的影響一個是使漏端飽和電流大大降低，另一個是使飽和電流與柵壓的關係不再是長溝道器件中的近平方關係，而是線性關係。

（3）影響器件壽命的熱載流子效應

器件尺寸進入深亞微米溝長範圍，器件內部的電場強度隨器件尺寸的減小而增強,特別在漏結附近存在強電場，載流子在這一強電場中獲得較高的能量，成為熱載流子。熱載流子在兩個方面影響器件性能:1)越過Si-SiO2勢壘，注入到氧化層中，不斷積累，改變閾值電壓，影響器件壽命；2)在漏附近的耗盡區中與晶格碰撞產生電子空穴對，對NMOS管，碰撞產生的電子形成附加的漏電流，空穴則被襯底收集，形成襯底電流，使總電流成為飽和漏電流與襯底電流之和。襯底電流越大，說明溝道中發生的碰撞次數越多，相應的熱載流子效應越嚴重。熱載流子效應是限制器件最高工作電壓的基本因素之一。

（4）亞閾特性退化，器件夾不斷

亞閾區泄漏電流使MOSFET器件關態特性變差，靜態功耗變大。在動態電路和存儲單元中，它還可能導致邏輯狀態發生混亂。因而由短溝道引起的漏感應勢壘降低(DIBL)效應成為決定短溝道MOS器件尺寸極限的一個基本物理效應。

DIBL效應是指，當漏極加上高電壓時。由於柵很短，源極同時受到漏極電場的影響，在此電場影響下，源結勢壘降低。且漏極耗盡層擴展，甚至跟源結的耗盡區相連，至使器件無法關斷。

為降低二級物理效應的影響，實現短溝道器件，要在器件結構上加以改進。一方面設法降低溝道電場，尤其是漏端電場；另一方面要消除PN結之間、器件之間的相互作用。因此出現了輕摻雜漏MOS結構(LDD)和絕緣襯底上矽結構(SOI)。