半导体器件-----短沟道效应

MOSFET的沟道长度小于3um时发生的短沟道效应较为明显。短沟道效应是由以下五种因素引起的，这五种因素又是由于偏离了理想按比例缩小理论而产生的。
它们是： 

（1） 由于电源电压没能按比例缩小而引起的电场增大； 
（2） 内建电势既不能按比例缩小又不能忽略； 
（3） 源漏结深不能也不容易按比例减小； 
（4） 衬底掺杂浓度的增加引起载流子迁移率的降低； 

（5） 亚阈值斜率不能按比例缩小。

（A） 亚阈值特性 


我们的目的是通过MOSFET的亚阈值特性来推断阈值电压到底能缩小到最小极限值.对于长沟道器件而言，亚阈值电流由下式给出 


   也可以写成如下的形式 

式中的Cd为单位面积耗尽区电容。 

是热电压,,在Vds大于几个热电压时等于

对上式两边取对数也可以写成

从式中可以看出，当时，即当栅－源电压等于亚阈值电压时有亚阈值电流：

为了使时，器件可以关断，我们可以令,则有

如果规定关断时（当）的电流比在（当）的电流小5个数量级，两边相除则有 

得到亚阈值电压的最小值为如果则亚阈值电压的最小值是,如果还想将阈值电压降低到400mV左右，那么就要减小的值，使

考虑到温度对阈值电压的影响，按比例缩小阈值电压将更加困难。阈值电压的温度系数,导致
阈值电压在温度范围（0－85℃）内的变化是85mV.制造工艺引起的最小变化也在50mV之间。工艺和温度引起的变化合计为135mV左右。因此，对增强型的MOS器件其阈值电压一般都控制在之间。

（B） 短沟道效应使阈值电压减小

对理想MOSFET器件，我们是利用电荷镜像原理导出阈值电压的表达式。见下图。

式中忽略了沟道中的反型层电荷密度为最大耗尽层单位面积电荷
密度。这个电荷密度都由栅的有效面积控制。并忽略了由于源/漏空间电荷区进入有效沟道区造成的对阈值电压值产生影响的因素。

图中显示了长沟道的N沟MOSFET的剖面图。在平带的情况下，且源－漏电压为零，源端和漏端的空间电荷区进入了沟道区，但只占沟道长度的很小一部分。此时的栅电压控制着沟道区反型时的所有反型电荷和空间电荷，如图所示。

随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电荷密度减小。随着漏端电压的增大，漏端的空间电荷区更严重地延伸到沟道区，从而栅电压控制的体电荷会变得更少。由于栅极控制的沟道电荷区中的电荷数量会对阈值电压造成影响，如式所示.我们可以用图8.3所示的模型，定量的计算出短沟道效应对阈值电压造成的影响。假设源/漏结的扩散横向与纵向相等，都为jx。这种假设对扩散工艺形成的结来说是合理的，但对例子注入形成的结则不那么准确。我们首先考虑源端、漏端和衬底都接地的情况。

在短沟道情况下，假定栅极梯形区域中的电荷有栅极控制。在阈值反型点，降落在沟道区的空间电荷区上的势差为2Fp，源和漏结的内建电势差也约为2Fp，这表明这三个空间电荷区的宽度大体相等。如图8.3a。

假定梯形区内的单位面积平均电荷密度为,则有上式可以写成

由图8.3b 可以看出，有如下关系：由（8.15）式将（8.17）带入（8.18）带入（8.15）式带入（8.15）式

与长沟道器件相比，短沟道器件阈值电压表达式应该写成

考虑短沟道效应后，MOSFET器件的阈值电压会降低。 在这个模型的假设下，只有减小源/漏结的深度和增大单位面积栅电容,，才能降低阈值电压的偏移量。另外，式（8.22）是建立在源、沟道、漏的空间电荷区都相等的假设基础上推导出来的，如果漏端电压增大，这会使栅控制的沟道电荷数量减少，'L变短，使阈值电压变成了漏极电压的函数，随着漏极电压增大，N沟器件的阈值电压也会减小