晶体管原理(5-8)
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减小阈电压短沟道效应的措施：
xj 、 xd ( NA ) 、 COX ( TOX )
2、阈电压的窄沟道效应
实验发现，当 MOSFET 的沟道宽度 Z 很小时，阈电压 VT 将随着 Z 的减小而增大。这个现象称为 阈电压的窄沟道效应。
QOX QAG (VT )狭 MS 2Fp COX COX
第二类，横向双极击穿 特点：BVDS 随 VGS 的增大先减小再增大，其包络线为 C 形， 并且是软击穿，主要发生在 N 沟道短沟道 MOSFET 中。
衬底电流在衬底电阻上所产生
的 电压 Vbs = IsubRsub，对横向寄生
双极晶体管的发射结为正偏压，使 寄生晶体管处于放大区。当集电结
耗尽区中的电场强度增大到满足双
5.8.1 小尺寸效应
1、阈电压的短沟道效应 实验发现，当 MOSFET 的沟道长度 L 缩短到可与源、漏 区的结深 xj 相比拟时，阈电压 VT 将随着 L 的缩短而减小，这就 是 阈电压的短沟道效应 。
原因：漏源区对 QA 的影响。 已知
QOX QA VT MS 2FB COX COX
QAG 2Z QA QA QA 1 Z
5.8.2 迁移率调制效应
1、VGS 对 的影响 当 VGS 较小时，
1
0
1
体内
1
表面
2
体内
当 VGS > VT 且继续增大时，垂直方向的电场 E x 增大，使 表面散射进一步增大， 将随 VGS 的增大而下降，
3vmax f t 4 L
特点：ft 与 VGS 无关，反比于 L 。
5.8.3 漏诱生势垒降低效应
当 MOSFET 的沟道很短时，漏 PN 结上的反偏会对源 PN
结发生影响，使漏、源之间的势垒高度降低，从而有电子从源
PN 结注入沟道区，使 ID 增大。
1、表面 DIBL 效应
当 VFB < VGS < VT 时，能带在表面处往下弯，势垒的降低 主要发生在表面，它使亚阈电流 IDsub 产生如下的特点： ① L 缩短后，ID ~ VGS 特性曲线中由指数关系过渡到平方 关系的转折电压（即阈电压 VT ）减小。 ② 普通 MOSFET 的 IDsub 当 VDS > (3 ~ 5) (kT/q) 后与 VDS 无关，短沟道 MOSFET 的 IDsub 则一直与 VDS 有关。
1
式中， 电场
1
0
1
电场
K ，于是， VGS VT
电场 0 0 0 0 0 VGS VT 电场 0 1 0 1 (VGS VT ) 1 电场 K VK
K 式中，VK 0
1 当 VGS VT VK 时， 0 。 2
极晶体管的共发射极雪崩击穿条件
M 1 时，就会使 IC → ∞ ，从而发生横向双极击穿。
因为 n 2.5 p ，所以，
( Rsub ) N沟 2.5( Rsub )P沟 ， ( I sub ) N沟 2.5( I sub )P沟 ， ( I sub Rsub ) N沟 6.25( I sub Rsub )P 沟
5.8.4 强电场效应
1、衬底电流 Isub 夹断区内因碰撞电离而产生电子空穴对，电子从漏极流出
而成为 ID 的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流 Isub 。
衬底电流的特点：Isub 随 VGS 的增大先增加，然后再减小， 最后达到 PN 结反向饱和电流的大小。
原因：衬底电流可表为 I sub I D i L ；另一方面，夹断区 内的电场可表为
VDS VDsat VDS VGS VT Ey L L
对于固定的 VDS ，当 VGS 增大时，ID 增加；但 Ey 减小，使 αi 减小，即： 当 VGS 增大时
I D , E y i ,
当 VGS 较小时，ID 的增大超过αi 的减小，使 Isub 增加。
(a) VT 向正方向漂移，即 VT 随时间而逐渐增大。
(b) 因迁移率下降而导致跨导 gm 的退化。
(c) 因界面态密度增大而导致亚阈电流 IDsub 的增大。
由于热电子效应与 IG 成比例，所以可用测量 IG 的大小来
推算热电子效应的大小。IG 与 VDS、VGS及 L 有关。IG 随 VDS 的 增加而增加。对于 VGS ，则在 VGS = VDS 附近出现峰值。IG 随 L 的缩短而增加。 为了防止 MOSFET 性能的过分退化，必须对 VDS 设立一个 限制。在 VGS = VDS（ 此时 IG 最大 ）的条件下，把使单位栅宽 的 IG 达到 1.5×10-15 A/ m 时的 VDS ，称为 最高漏源使用电压 ， 记为 BVDC 。在这个使用条件下，VT 在 10 年后增大约 10 mV 。 这样，对短沟道 MOSFET 来说限制 VDS 的将不再是雪崩击穿或
vmax ， E y EC 时 Ey
VGS VT 1 VK
v vmax
Ey
0
E y ， E y EC 时
0 EC
v=
vmax 常数， E y EC 时
3、速度饱和对饱和漏源电压的影响
dV 很高， dy 使漏极附近的沟道尚未被夹断之前 ，Ey 就达到了临界电场 EC ，
短沟道 MOSFET 中，因沟道长度 L 很小，E y 载流子速度 v (L) 就达到了饱和值 vmax ，从而使 ID 饱和。 已知 VDsat = VGS – VT 为使沟道夹断的饱和电压，也就是使 Qn (L) = 0 的饱和漏源电压。 现设 VDsat 为使 v (L) = vmax 的饱和漏源电压。经计算，
EC L VDsat VDsat
特点：饱和漏源电压正比于 L ，将随 L 的缩短而减小。
4、速度饱和对饱和漏极电流的影响 设 IDsat 为考虑速度饱和后的漏极饱和电流，经计算，
1 2 2 VDsat Z 2 n COX ( EC L) 1 1 L EC L
这使 N 沟道 MOSFET 更容易发生横向双极击穿。
3、热电子效应
沟道中漏附近能量较大的电子称为 热电子，热电子若具有
克服 Si ~ SiO2 间势垒 ( 约 3.1 eV ) 的能量，就能进入栅氧化层。
这些电子中的一部分从栅极流出构成栅极电流 IG ，其余部分则 陷在 SiO2 的电子陷阱中。这些电子将随时间而积累，长时期后 将对 MOSFET 的性能产生如下影响：
I Dsat
1 2 2 V Z 2 Dsat n COX ( EC L) 1 1 I Dsat L EC L 2 对于普通 MOSFET，( EC L) 2 VDsat
2 Z 1 VDsat Z 2 2 n COX ( EC L) 1 I Dsat 1 C V n OX Dsat I Dsat L 2 EC L 2L 1 2 (VGS VT ) , I Dsat 特点： I Dsat L 2 对于短沟道 MOSFET，( EC L) 2 VDsat ,
I Dsat
Z 2 VDsat n COX ( EC L) L EC L Z n COX (VGS VT ) EC
(VGS VT ), 特点： I Dsat
与 L 无关。 I Dsat
5、速度饱和对跨导的影响
普通 MOSFET 在饱和区的跨导为
6、速度饱和对最高工作频率的影响 由式 (5-142b)，普通 MOSFET 的饱和区最高工 VT ) ft 2 Cgs 2 2 L2
特点：ft 正比于 (VGS - VT)，反比于 L2 。
将短沟道 MOSFET 的饱和区跨导代入式 ( 5-142b ) ，得短 沟道 MOSFET 的饱和区最高工作频率为
dVGS ③ 亚阈区栅源电压摆幅的值 S 随 L 的缩短而增 d ln I Dsub 大，这表明短沟道 MOSFET 的 VGS 对 IDsub 的控制能力变弱 ，
使 MOSFET 难以截止。
2、体内 DIBL 效应
当 VGS < VFB 时，能带在表面处往上弯，表面发生积累， 势垒的降低主要发生在体内，造成体内穿通电流。而穿通电流 基本上不受 VGS 控制，它也使 MOSFET 难以截止。
N 沟道 MOSFET 中的典型值为
0 600cm2 /V s ，VK 30V
2、VDS 对 的影响 VDS 产生水平方向的电场 Ey 。当 Ey 很大时，载流子速度将 趋于饱和。简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的 v ~ Ey
关系：
=
0 常 数， E y EC 时 VGS VT 1 VK
当 VGS 较大时，ID 的增大不如αi 的减小，使 Isub 减小。 当 VGS 增大到使碰撞电离消失时，Isub 成为漏 PN 结的反向
饱和电流。
2、击穿特性
第一类，正常雪崩击穿 特点：漏源击穿电压 BVDS 随栅源电压 VGS 的增大而增大， 并且是硬击穿。这一类击穿主要发生在 P 沟道 MOSFET（包括 短沟道）与长沟道 N 沟道 MOSFET 中。
漏源穿通，而是受热电子效应限制的 BVDC 。
2 VDsat EC L VDsat VDsat ( EC L)
1 2 2
可见，VDsat 总是小于 VDsat 。 对于普通 MOSFET，( EC L) VDsat
2 2
VDsat VDsat
特点：饱和漏源电压与 L 无关。
2 对于短沟道 MOSFET，( EC L) 2 VDsat
fgs无关反比于l583583漏诱生势垒降低效应漏诱生势垒降低效应当mosfet的沟道很短时漏pn结上的反偏会对源pn结发生影响使漏源之间的势垒高度降低从而有电子从源pn结注入沟道区使igs特性曲线中由指数关系过渡到平方关系的转折电压即阈电压v减小
5.8 短沟道效应
当 MOSFET 的沟道长度 L↓时， 分立器件： I D , g m , Ron , gm , K p max , f M 集成电路： tpd , 功耗 ，集成度 但是随着 L 的缩短 ，将有一系列在普通 MOSFET 中不明显 的现象在短沟道 MOSFET 中变得严重起来，这一系列的现象统 称为 “ 短沟道效应 ” 。
d I Dsat Z g ms n COX (VGS VT ) d VGS L 1 特点： g ms (VGS VT ), g ms L
短沟道 MOSFET 在饱和区的跨导为
dI Dsat g ms Z n COX EC ZCOXvmax dVGS
特点： g ms 与 ( VGS -VT ) 及 L 均不再有关，这称为 跨导的 饱和。
1 2
式中，QA q N A xd (4 s q N AFB ) 代表沟道下耗尽区的电离
杂质电荷面密度。考虑到漏源区的影响后，QA 应改为平均电荷 面密度 QAG 。
L
xd
L P
QAG
1 1 L L L L qN A xd ( L L) Z qN A xd QA ( ) 2 LZ 2L 2L xd 1 xj 2 QA 1 [(1 2 ) 1] xj L
QOX QAG VT MS 2FB COX COX
QAG xd 1 xj 2 QA 1 [(1 2 ) 1] xj L
当 L x j 时，QAG QA ，VT 与 L 无关, 当 L x j 时，随着 L ， QAG , VT
xj 、 xd ( NA ) 、 COX ( TOX )
2、阈电压的窄沟道效应
实验发现，当 MOSFET 的沟道宽度 Z 很小时，阈电压 VT 将随着 Z 的减小而增大。这个现象称为 阈电压的窄沟道效应。
QOX QAG (VT )狭 MS 2Fp COX COX
第二类，横向双极击穿 特点：BVDS 随 VGS 的增大先减小再增大，其包络线为 C 形， 并且是软击穿，主要发生在 N 沟道短沟道 MOSFET 中。
衬底电流在衬底电阻上所产生
的 电压 Vbs = IsubRsub，对横向寄生
双极晶体管的发射结为正偏压，使 寄生晶体管处于放大区。当集电结
耗尽区中的电场强度增大到满足双
5.8.1 小尺寸效应
1、阈电压的短沟道效应 实验发现，当 MOSFET 的沟道长度 L 缩短到可与源、漏 区的结深 xj 相比拟时，阈电压 VT 将随着 L 的缩短而减小，这就 是 阈电压的短沟道效应 。
原因：漏源区对 QA 的影响。 已知
QOX QA VT MS 2FB COX COX
QAG 2Z QA QA QA 1 Z
5.8.2 迁移率调制效应
1、VGS 对 的影响 当 VGS 较小时，
1
0
1
体内
1
表面
2
体内
当 VGS > VT 且继续增大时，垂直方向的电场 E x 增大，使 表面散射进一步增大， 将随 VGS 的增大而下降，
3vmax f t 4 L
特点：ft 与 VGS 无关，反比于 L 。
5.8.3 漏诱生势垒降低效应
当 MOSFET 的沟道很短时，漏 PN 结上的反偏会对源 PN
结发生影响，使漏、源之间的势垒高度降低，从而有电子从源
PN 结注入沟道区，使 ID 增大。
1、表面 DIBL 效应
当 VFB < VGS < VT 时，能带在表面处往下弯，势垒的降低 主要发生在表面，它使亚阈电流 IDsub 产生如下的特点： ① L 缩短后，ID ~ VGS 特性曲线中由指数关系过渡到平方 关系的转折电压（即阈电压 VT ）减小。 ② 普通 MOSFET 的 IDsub 当 VDS > (3 ~ 5) (kT/q) 后与 VDS 无关，短沟道 MOSFET 的 IDsub 则一直与 VDS 有关。
1
式中， 电场
1
0
1
电场
K ，于是， VGS VT
电场 0 0 0 0 0 VGS VT 电场 0 1 0 1 (VGS VT ) 1 电场 K VK
K 式中，VK 0
1 当 VGS VT VK 时， 0 。 2
极晶体管的共发射极雪崩击穿条件
M 1 时，就会使 IC → ∞ ，从而发生横向双极击穿。
因为 n 2.5 p ，所以，
( Rsub ) N沟 2.5( Rsub )P沟 ， ( I sub ) N沟 2.5( I sub )P沟 ， ( I sub Rsub ) N沟 6.25( I sub Rsub )P 沟
5.8.4 强电场效应
1、衬底电流 Isub 夹断区内因碰撞电离而产生电子空穴对，电子从漏极流出
而成为 ID 的一部分，空穴则由衬底流出而形成衬底电流 Isub 。
衬底电流的特点：Isub 随 VGS 的增大先增加，然后再减小， 最后达到 PN 结反向饱和电流的大小。
原因：衬底电流可表为 I sub I D i L ；另一方面，夹断区 内的电场可表为
VDS VDsat VDS VGS VT Ey L L
对于固定的 VDS ，当 VGS 增大时，ID 增加；但 Ey 减小，使 αi 减小，即： 当 VGS 增大时
I D , E y i ,
当 VGS 较小时，ID 的增大超过αi 的减小，使 Isub 增加。
(a) VT 向正方向漂移，即 VT 随时间而逐渐增大。
(b) 因迁移率下降而导致跨导 gm 的退化。
(c) 因界面态密度增大而导致亚阈电流 IDsub 的增大。
由于热电子效应与 IG 成比例，所以可用测量 IG 的大小来
推算热电子效应的大小。IG 与 VDS、VGS及 L 有关。IG 随 VDS 的 增加而增加。对于 VGS ，则在 VGS = VDS 附近出现峰值。IG 随 L 的缩短而增加。 为了防止 MOSFET 性能的过分退化，必须对 VDS 设立一个 限制。在 VGS = VDS（ 此时 IG 最大 ）的条件下，把使单位栅宽 的 IG 达到 1.5×10-15 A/ m 时的 VDS ，称为 最高漏源使用电压 ， 记为 BVDC 。在这个使用条件下，VT 在 10 年后增大约 10 mV 。 这样，对短沟道 MOSFET 来说限制 VDS 的将不再是雪崩击穿或
vmax ， E y EC 时 Ey
VGS VT 1 VK
v vmax
Ey
0
E y ， E y EC 时
0 EC
v=
vmax 常数， E y EC 时
3、速度饱和对饱和漏源电压的影响
dV 很高， dy 使漏极附近的沟道尚未被夹断之前 ，Ey 就达到了临界电场 EC ，
短沟道 MOSFET 中，因沟道长度 L 很小，E y 载流子速度 v (L) 就达到了饱和值 vmax ，从而使 ID 饱和。 已知 VDsat = VGS – VT 为使沟道夹断的饱和电压，也就是使 Qn (L) = 0 的饱和漏源电压。 现设 VDsat 为使 v (L) = vmax 的饱和漏源电压。经计算，
EC L VDsat VDsat
特点：饱和漏源电压正比于 L ，将随 L 的缩短而减小。
4、速度饱和对饱和漏极电流的影响 设 IDsat 为考虑速度饱和后的漏极饱和电流，经计算，
1 2 2 VDsat Z 2 n COX ( EC L) 1 1 L EC L
这使 N 沟道 MOSFET 更容易发生横向双极击穿。
3、热电子效应
沟道中漏附近能量较大的电子称为 热电子，热电子若具有
克服 Si ~ SiO2 间势垒 ( 约 3.1 eV ) 的能量，就能进入栅氧化层。
这些电子中的一部分从栅极流出构成栅极电流 IG ，其余部分则 陷在 SiO2 的电子陷阱中。这些电子将随时间而积累，长时期后 将对 MOSFET 的性能产生如下影响：
I Dsat
1 2 2 V Z 2 Dsat n COX ( EC L) 1 1 I Dsat L EC L 2 对于普通 MOSFET，( EC L) 2 VDsat
2 Z 1 VDsat Z 2 2 n COX ( EC L) 1 I Dsat 1 C V n OX Dsat I Dsat L 2 EC L 2L 1 2 (VGS VT ) , I Dsat 特点： I Dsat L 2 对于短沟道 MOSFET，( EC L) 2 VDsat ,
I Dsat
Z 2 VDsat n COX ( EC L) L EC L Z n COX (VGS VT ) EC
(VGS VT ), 特点： I Dsat
与 L 无关。 I Dsat
5、速度饱和对跨导的影响
普通 MOSFET 在饱和区的跨导为
6、速度饱和对最高工作频率的影响 由式 (5-142b)，普通 MOSFET 的饱和区最高工 VT ) ft 2 Cgs 2 2 L2
特点：ft 正比于 (VGS - VT)，反比于 L2 。
将短沟道 MOSFET 的饱和区跨导代入式 ( 5-142b ) ，得短 沟道 MOSFET 的饱和区最高工作频率为
dVGS ③ 亚阈区栅源电压摆幅的值 S 随 L 的缩短而增 d ln I Dsub 大，这表明短沟道 MOSFET 的 VGS 对 IDsub 的控制能力变弱 ，
使 MOSFET 难以截止。
2、体内 DIBL 效应
当 VGS < VFB 时，能带在表面处往上弯，表面发生积累， 势垒的降低主要发生在体内，造成体内穿通电流。而穿通电流 基本上不受 VGS 控制，它也使 MOSFET 难以截止。
N 沟道 MOSFET 中的典型值为
0 600cm2 /V s ，VK 30V
2、VDS 对 的影响 VDS 产生水平方向的电场 Ey 。当 Ey 很大时，载流子速度将 趋于饱和。简单的近似方法是用二段直线来描述载流子的 v ~ Ey
关系：
=
0 常 数， E y EC 时 VGS VT 1 VK
当 VGS 较大时，ID 的增大不如αi 的减小，使 Isub 减小。 当 VGS 增大到使碰撞电离消失时，Isub 成为漏 PN 结的反向
饱和电流。
2、击穿特性
第一类，正常雪崩击穿 特点：漏源击穿电压 BVDS 随栅源电压 VGS 的增大而增大， 并且是硬击穿。这一类击穿主要发生在 P 沟道 MOSFET（包括 短沟道）与长沟道 N 沟道 MOSFET 中。
漏源穿通，而是受热电子效应限制的 BVDC 。
2 VDsat EC L VDsat VDsat ( EC L)
1 2 2
可见，VDsat 总是小于 VDsat 。 对于普通 MOSFET，( EC L) VDsat
2 2
VDsat VDsat
特点：饱和漏源电压与 L 无关。
2 对于短沟道 MOSFET，( EC L) 2 VDsat
fgs无关反比于l583583漏诱生势垒降低效应漏诱生势垒降低效应当mosfet的沟道很短时漏pn结上的反偏会对源pn结发生影响使漏源之间的势垒高度降低从而有电子从源pn结注入沟道区使igs特性曲线中由指数关系过渡到平方关系的转折电压即阈电压v减小
5.8 短沟道效应
当 MOSFET 的沟道长度 L↓时， 分立器件： I D , g m , Ron , gm , K p max , f M 集成电路： tpd , 功耗 ，集成度 但是随着 L 的缩短 ，将有一系列在普通 MOSFET 中不明显 的现象在短沟道 MOSFET 中变得严重起来，这一系列的现象统 称为 “ 短沟道效应 ” 。
d I Dsat Z g ms n COX (VGS VT ) d VGS L 1 特点： g ms (VGS VT ), g ms L
短沟道 MOSFET 在饱和区的跨导为
dI Dsat g ms Z n COX EC ZCOXvmax dVGS
特点： g ms 与 ( VGS -VT ) 及 L 均不再有关，这称为 跨导的 饱和。
1 2
式中，QA q N A xd (4 s q N AFB ) 代表沟道下耗尽区的电离
杂质电荷面密度。考虑到漏源区的影响后，QA 应改为平均电荷 面密度 QAG 。
L
xd
L P
QAG
1 1 L L L L qN A xd ( L L) Z qN A xd QA ( ) 2 LZ 2L 2L xd 1 xj 2 QA 1 [(1 2 ) 1] xj L
QOX QAG VT MS 2FB COX COX
QAG xd 1 xj 2 QA 1 [(1 2 ) 1] xj L
当 L x j 时，QAG QA ，VT 与 L 无关, 当 L x j 时，随着 L ， QAG , VT