沟道长度调制效应与短沟道效应

MOS晶体管在饱和与非饱和区的行为

以NMOS为例，当VGS>VT且VGS=VGD时，形成厚度均匀的沟道；

当MOS管工作在非饱和区时，VGS和VDS均大于阈值电压VT，这样才能形成源漏之间的沟道，此时，若VGD<VGS，沟道区的电势分布将不仅与由栅电压及衬底偏置电压决定的纵向电场有关，而且与由漏极电压控制的横向电场也有关，在漏极附近硅外表面感应的电子数要比源区感应的电子数目少，漏极的沟道厚度就比源区沟道厚度薄。

假如继续增加漏极-源极间电压VDS，以致于VDS=VGS-VT，这时的工作区域相当于非饱和区与饱和区的分界处。由于栅极—漏极间电压VGD=VGS-VDS=VT，所以栅极-漏极间电压就与阈值电压VT相等。就是说，漏区沟道消失了，我们把沟道消失的状态称为夹断。继续再增大漏源电压，就变成VDS>VGS-VT，此时NMOS晶体管就工作在饱和区了。

发生夹断的情况下，当沟道端与漏区之间的耗尽层的长度△L相较于有效沟道长度（L-△L）可以忽略时，夹断时漏极电流是一个定值。

假如MOS晶体管的沟道长度L变短，那么△L就不可疏忽。随着VDS的增加，△L也增加，使有效沟道长度（L-△L）变短，因而如图1. 30所示，漏极电流增加，这叫做沟道长度调制效应。

亚域状态

晶体管亚阈状态是MOSFET的一种重要工作状态（工作模式），又称为MOSFET的亚阈值区（Subthreshold region）。

这是MOSFET的栅极电压Vgs处在阈值电压VT以下、又没有出现导电沟道的一种工作状态，即是Vgs≤VT 、表面势ψs ≈ 费米势ψb（即表面为弱反型)的状态。这时还是有一股较小的电流通过器件，该电流即称为亚阈电流。

亚阈电流虽然较小，但是它却能很好地够受到栅极电压的控制，所以亚阈状态的MOSFET在低电压、低功耗应用时很有利，特别是在逻辑开关和存储器等的大规模集成电路应用中非常受到人们的重视。

短沟道效应

当MOS晶体管的沟道长度小到可以和漏结及源结的耗尽层厚度相比拟时,会出现一些不同于长沟道MOS管特性的现象,统称为短沟道效应，它们归因于在沟道区出现二维的电势分布以及高电场。

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:

（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。

沟道长度减小到一定程度后,源、漏结的耗尽区在整个沟道中所占的比重增大,栅下面的硅表面形成反型层所需的电荷量减小,因而阈值电压减小。同时衬底内耗尽区沿沟道宽度侧向展宽部分的电荷使阈值电压增加。当沟道宽度减小到与耗尽层宽度同一量级时，阈值电压减小变得十分显著。短沟道器件阈值电压对沟道长度的变化非常敏感。

低场下迁移率是常数,载流子速度随电场线性增加。高场下迁移率下降,载流子速度达到饱和,不再与电场有关。速度饱和对器件的影响一个是使漏端饱和电流大大降低，另一个是使饱和电流与栅压的关系不再是长沟道器件中的近平方关系，而是线性关系。

器件尺寸进入深亚微米沟长范围，器件内部的电场强度随器件尺寸的减小而增强,特别在漏结附近存在强电场，载流子在这一强电场中获得较高的能量，成为热载流子。热载流子在两个方面影响器件性能:1)越过Si-SiO2势垒，注入到氧化层中，不断积累，改变阈值电压，影响器件寿命;2)在漏附近的耗尽区中与晶格碰撞产生电子空穴对，对NMOS管，碰撞产生的电子形成附加的漏电流，空穴则被衬底收集，形成衬底电流，使总电流成为饱和漏电流与衬底电流之和。衬底电流越大，说明沟道中发生的碰撞次数越多，相应的热载流子效应越严重。热载流子效应是限制器件最高工作电压的基本因素之一。

亚阈区泄漏电流使MOSFET器件关态特性变差，静态功耗变大。在动态电路和存储单元中，它还可能导致逻辑状态发生混乱。因而由短沟道引起的漏感应势垒降低(DIBL)效应成为决定短沟道MOS器件尺寸极限的一个基本物理效应。

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