半导体中短沟道器件的问题

对于长沟道器件，沿沟道四面的“边缘效应”实际上可以忽略不计。对于长沟道器件，电场线处处垂直于沟道表面。这些电场由栅极电压和背栅电压控制。但是，对于短沟道器件，漏源结构更接近沟道，特别是当沟道中的纵向电场出现时。纵向电场由漏源电压控制。纵向电场与电流方向平行。如果沟道长度不远大于源漏耗尽宽度之和，则该器件称为短沟道器件。

在这一节中，我们将讨论由于短通道中的二维电位分布和高电场而产生的各种不良效应。

A、 载流子速度饱和和迁移率降低：

在较低的电场值下，电子在沟道中的漂移速度与电场成正比。这些漂移速度在高电场下趋于饱和。这叫做速度饱和。对于短沟道器件，纵向电场通常也会增大。在这样高的电场下，速度饱和会影响MOSFET的I-V特性。在相同的栅电压下，漏源电压和饱和电流减小值越小，MOSFET的饱和模式就越明显。

由于垂直界面上的高载流子的散射，使得垂直界面上的载流子散射。这导致载流子迁移率的降低和漏电流的降低。

B、 漏极引发的势垒降低：

另一种短沟道效应称为DIBL，是指在较高漏极电压下降低阈值电压。如果栅极电压不足以反型（即栅极电压<阈值电压），通道中的载流子将面临一个势垒，该势垒可能会阻碍流动。通过增加栅电势，我们消除了这个势垒。但是，对于短沟道器件，这种势垒是由Vgs和Vds共同控制的。如果该漏极电压增加，则漏极的耗尽区尺寸增大并延伸到栅极下方。降低漏极和漏极之间的势垒的概念是降低漏极和漏极之间的势垒。这种随通道长度而降低的阈值电压称为Vt衰减。在这种情况下流动的电流称为亚阈值电流（关断状态电流）。DIBL使漏极电流随着漏极偏压的增加而增加，即使在饱和模式下也是如此。

C、 穿通效应：

穿通效应是一种严重的势垒降低情况。当漏极偏压增大时，漏极周围的耗尽区可以进一步向源区扩展，两个耗尽区合并。这种情况称为穿通效应。在这种情况下，栅电压随着漏极电流的急剧上升而失去对漏极电流的控制。穿通效应随沟道长度的减小而增大。由于穿通效应，我们无法关闭器件，因此器件变得无用，如图1所示。

图1。穿通效应-两个耗尽区的合并

D、 热载流子效应：

对于较小的几何器件，电场增大，尤其是在漏极附近。结果，电子（载流子）获得了大量的能量，称为热载流子。

它们中的一些获得了几乎足够的能量，从而在漏极附近产生碰撞电离，从而产生新的电子-空穴对。作为一种效应，它会引起漏电流（Idb）。少量的热电子可以通过氧化物隧道并通过栅极收集。而一些热载流子甚至会破坏氧化物，导致器件退化。