MOS場效應管的短溝道效應特性及分析

以上給出了MOS場效應管的一級近似模擬，并在近似條件下推導出一些重要的關系式，這些無疑對分析和設計MOS電路是非常重要的。但隨著MOS集成電路的集成度和速度的提高，器件尺寸越做越小，溝道長度越來越短，由此產生短溝道效應，使閾值電壓下降，這就需要對閾值電壓關系式進行修正。此外，例如溫度變化，使MOS器件性能發生變化等。為了提高設計的精確性，本節將介紹些MOS器件的二級效應，并給出相應的修正公式。

（一）MOS管短溝道效應

第三節討論了溝道長度調變效應，其溝道長度調制參數λ為（見（1.3-13）、（1.3-11）式）

上式表明，溝道長度L越短，λ值越大。根據典型實驗數據，當L大于25微米時，1約為0.01/伏，當溝道長度L小于25微米時，λ可用下式表示：

式中L以微米為單位。

溝道長度縮短后，不僅使輸出阻抗降低，也使閾值電壓下降，體效應減弱。溝道長度縮短后，對閾值電壓有貢獻的耗盡區電荷總量Qb將減小，因為終止于耗盡層電荷的電力線，部分來自柵極電壓，部分來自漏源電壓，當溝道長度較長時，可忽略漏源電壓電力線的影響，認為耗盡層電荷Qb只對閾值電壓有影響；MOS管短溝道效應。而溝道長度縮短后不能忽略漏源端電壓對耗盡層電荷的影響，造成閾值電壓有貢獻的耗盡區電荷總量Qb減小，使閾值電壓降低。

當溝道長度小于5微米時，可用圖1.4-1所示的二維梯形模型來分析這時的閾值電壓。圖中為n⁺擴散區的結深，L為溝道長度，為耗盡層厚度。

若假設器件的漏源電壓非常小，從源極到漏極之間的耗盡層寬度是均勻的，其寬度為，然而在考慮了源區和漏區的耗盡層寬度后，柵區下面的耗盡層電荷Qˊb為：

而 

由圖1.4-1中的幾何關系可得：

由上式我們可以得到：

考慮了耗盡層電荷修正后，并參照（1.2-15）和（1.2-18），體效應因子（襯底偏效）γ可作如下修正：

因：

由上式可得：

即得修正后的體效應因子γˊ為

由上面討論可知，溝道長度L小于5微米時，體效應因子γ減小，其L與VT的典型值關系如圖1.4-2所示。該圖引自參考文【2】

溝道長度L縮短到5微米以下時，不僅要考慮溝道長度調制效應，而且還要考慮由于橫向擴散使溝道長度縮短。這時，有效溝道長度可表示為：

（i）線性區（1.4-6）

（i）飽和區（1.4-7）

式中為擴散深度，a為橫向擴散修正系數。

另一方面，我們在指導線性區漏源電流ID表示式時，假定溝道下面的耗盡層電荷Qb是常數。實際上Qb是溝道電壓的函數，是一個變量?？紤]到（1.4-6）式和Qb是一變量，以及短溝道效應ID關系式修正為（推導可參看資料[11]pp.94~95）

（1.4-8）式的VD、VG、VS，VB都是對參考點的電壓，a為短溝道效應的修正系數，通常取0.9，進入飽和區時，漏極電壓表示為（見參考文獻[12]）

飽和區的漏源電流ID只要將（1.4-8）式中的VD用（1.4-9）式取代即可。

此外，MOS管短溝道效應。。短溝道使漏源擊穿電壓降低，長溝道MOS場效應管的漏源擊穿電壓主要是p-n結的雪崩擊穿，而短溝道MOS場效應管的漏源擊穿電壓由穿通電壓引起，穿通電壓的大小與溝道長度有關，溝道長度越短穿通電壓越低。

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