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  • 短溝道效應,短溝道效應的產(chǎn)生與特點介紹
    • 發(fā)布時間:2024-05-30 20:54:53
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    短溝道效應,短溝道效應的產(chǎn)生與特點介紹
    短溝道效應(short-channel effects),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,晶體管出現(xiàn)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。短溝道效應會顯著影響MOSFET的性能和可靠性。
    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后出現(xiàn)的一系列二級物理效應統(tǒng)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(qū)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。
    MOS晶體管的漏電途徑如圖所示。因開啟電壓(Threshold Voltage,簡稱Vt)下降所造成的漏電流,及因電擊穿(punch through)效應導致的漏電。其中前者沿著MOS的通道(紅色箭頭);后者沿著通道下方,源/漏因反向偏壓所產(chǎn)生的耗盡層(depletion region)不斷向外擴展(圖中虛線為耗盡層邊界)。
    短溝道效應
    短溝道效應:當溝道長度足夠短時,閾值電壓與溝道長度出現(xiàn)了強關聯(lián),溝道長度減少,閾值電壓減少。
    如圖所示:
    短溝道效應的產(chǎn)生原理:
    短溝道效應
    電子散射:當溝道長度縮短到與電子平均自由程相當或更短時,電子在溝道中會發(fā)生散射現(xiàn)象。這些散射事件導致電子能量和速度增加,從而增加了漏電流。
    隧穿效應:在短溝道MOSFET中,由于溝道長度很短,電子可以通過隧穿效應穿越壘壁,從源極隧穿到漏極。這會導致漏電流的進一步增加。
    強限制效應:短溝道MOSFET中的強限制效應是指在溝道長度縮小的情況下,由于電場的非均勻分布,使得溝道的控制區(qū)域變窄。這需要更高的門電場來形成正常的溝道,導致閾值電壓的偏移。
    數(shù)量擺動:在短溝道MOSFET中,電子在溝道中的數(shù)量擺動現(xiàn)象也會顯著增加。數(shù)量擺動是指電子在溝道中的數(shù)目有所波動,導致子閾值電流的不穩(wěn)定性。
    短溝道效應的特點
    (1)影響閾值電壓的短溝、窄溝效應
    (2)遷移率場相關效應及載流子速度飽和效應
    (3)影響器件壽命的熱載流子效應
    (4)亞閾特性退化,器件夾不斷
    短溝道效應顯著特點:
    漏電流增加:短溝道效應導致了漏電流的明顯增加。這是由于電子在短溝道中的散射和速度增加引起的。
    閾值電壓偏移:短溝道效應會導致閾值電壓的偏移。隨著溝道長度縮短,需要更高的門電場來控制和形成正常的溝道。
    子閾值擺動:短溝道效應引起了子閾值電流的擺動。由于溝道長度減小,散射和隧穿效應導致了子閾值電流的不穩(wěn)定性。
    限制頻率提高:由于短溝道MOSFET的特殊結構和效應,它們具有更高的響應速度和更高的限制頻率。
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