短溝道效應(yīng)解析
在 MOS 晶體管領(lǐng)域，當(dāng)溝道長(zhǎng)度縮至與漏結(jié)及源結(jié)耗盡層厚度相近時(shí)，一系列有別于長(zhǎng)溝道 MOS 管特性的現(xiàn)象便會(huì)顯現(xiàn)，這些現(xiàn)象被統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)，其根源在于溝道區(qū)二維電勢(shì)分布的形成以及高電場(chǎng)的出現(xiàn)。
當(dāng) MOSFET 的溝道長(zhǎng)度低于 3 微米時(shí)，短溝道效應(yīng)便較為突出。此類效應(yīng)的產(chǎn)生主要受以下五種因素影響，這些因素皆源于理想按比例縮小理論的偏離：
一是電源電壓未能按比例縮小，致使電場(chǎng)強(qiáng)度增大。
二是內(nèi)建電勢(shì)既無法按比例縮小，又不可忽視。
三是源漏結(jié)深難以按比例減小。
四是襯底摻雜濃度的上升造成載流子遷移率降低。
五是亞閾值斜率無法按比例縮小。
以下借助 MOSFET 3D 能帶圖，深入剖析短溝道效應(yīng)。以 NMOS 為例，當(dāng)施加 Vgs 電壓時(shí)，在 Gate 表面，能帶向下彎曲（如圖第三個(gè)圖例所示），這使得電子更易穿越溝道。然而，由于此時(shí) Drain 尚未加壓，能帶位置保持不變，因此并無電流流過。
一旦給 Drain 加壓（對(duì)應(yīng)圖中第四個(gè)圖例），Drain 處能帶向下彎曲，從 Source 經(jīng) Channel 至 Drain 形成能級(jí)差，電子得以沿此路徑流動(dòng)。
從能帶圖視角審視短溝道效應(yīng)，可得出以下結(jié)論：
對(duì)于短溝道（L 極小）的 MOS 管，Source 與 Drain 距離過近，Channel 能帶被向下拉，使得處于 Cut-Off 狀態(tài)的器件 leakage 增大。這是因?yàn)闇系绖?shì)壘降低，熱激發(fā)電子在常溫下更易越過勢(shì)壘，從 Source 漂移到 Drain，這一效應(yīng)顯著影響亞閾值漏電流。
若提升 Vds 值，由于 Source 與 Drain 距離過近，Drain 勢(shì)壘下降會(huì)引發(fā) Channel 勢(shì)壘降低，導(dǎo)致溝道電流 Id 對(duì) Vds 的敏感性增強(qiáng)，這便是所謂的漏誘生勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL）。
因此，若要借助減小溝道 L 值來提升開啟電流，需警惕短溝道效應(yīng)致使 MOS 管關(guān)斷電流呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。
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