MOSFET的短沟道效应2
第8章 MOSFET的短沟道效应
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
ID?WL?nCdVt?exp?2?VGS?VT???VDS?1?exp???......(8.1)?Vt??Vt?
也可以写成如下的形式
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ID?WL?nCdVt?exp?2?VGS?VT???VDS?1?exp????Vt??Vt?
?ID0?VGS???VDS??exp??1?exp?......(8.2)?VVt??t??d式中的C为单位面积耗尽区电容。
Cd??sxd??s2?s2?fpqNa??sqNa4?fp......(8.3)
，在V大于几个热电压时有
DSVt?kTqWL是热电压，??1?C?nCdVt?exp?2d/CoxID??VGS?VT??......(8.4)?Vt?
对上式两边取对数
?W2ln?ID??ln??nCdVt?L?VGS?VT......(8.5)???Vt?
上式也可以写成
??IDln?W2??nCdVt?L??VGS?VT......(8.6)???Vt??
?VT?0从式（8.4）中可以看出，当VWLGS时，即当栅－源
电压等于亚阈值电压时有亚阈值电流：
ID?VGS?VT?0???nCdVt......(8.7)2
为了使V中的VID?VGSGSGS?VT时，器件可以关断，我们可以令（8.4）
?0，则有
2??VT??0???nCdVt?exp?......(8.8)L?Vt??W
GS如果规定关断时（当VGS?0）的电流比在（当V?VT）的
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电流小5个数量级，式(8.7)和式(8.8)的两边相除则有
ID?VGS?VT?0?ID?VGS?0??expVT?Vt?10......(8.9)5
得到亚阈值电压的最小值为
VT?5?Vtln10......(8.10)
则亚阈值电压的最小值是
。
。
。导致
如果??1?Cd/Cox?1?0.76?1.76VT??Vt5ln10?5?1.67?26mV?2.3?500mV如果还想将阈值电压降低到400mV左右，那么就要减小??1?Cd/Cox的值，使??1?Cd/Cox?1.34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dVTdT??1mV/K。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0.5V?VT?0.9V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。
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QmT?Qss?QSD?max?'''
?8.11?式中忽略了沟道中的反型层电
?max??eNaxdT荷密度Q， Q'n'SD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8.2a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8.2b所示。
随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电
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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QVTN?'SD?max?会对阈值电压造成影响，如式（8.12）所示。
??t?''QSD?max??Qss?ox???ms?2?Fp??ox???8.12?
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x。这种假设对扩散工艺形成的结
j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2?，源和漏结的内建电势差也约为2?，这
FpFp表明这三个空间电荷区的宽度大体相等。如图8.3a。
xs?xd?xdT
?8.13?
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