短溝道效應詳解,dibl效應分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2025-09-01
短溝道效應（short-channel effects）是當金屬氧化物半導體場效應管的導電溝道長度降低到十幾納米、甚至幾納米量級時，晶體管出現(xiàn)的一些效應。這些效應主要包括閾值電壓隨著溝道長度降低而降低、漏致勢壘降低、載流子表面散射、速度飽和、離子化和熱電子效應。
在半導體器件設(shè)計中，短溝道效應（ShortChannelEffect,SCE）是指當MOSFET的溝道長度（L）縮小到與耗盡區(qū)寬度相當時，器件的電學特性（如閾值電壓VT、亞閾值擺幅SS、漏電流leakagecurrent等）顯著偏離長溝道行為的現(xiàn)象。隨著工藝節(jié)點進入納米尺度（如5nm、3nm），SCE成為制約器件性能和可靠性的核心挑戰(zhàn)之一。
圖1長溝道(a)和短溝道(b)的MOSFET，虛線表示耗盡區(qū)域
如圖1所示，由源極和漏極擴散區(qū)域形成的耗盡區(qū)，會在摻雜最少的結(jié)的一側(cè)延伸，也就是在襯底中延伸。對于長溝道晶體管而言，與柵極總長度相比，這些耗盡區(qū)的延伸可以忽略不計，并且這種影響對晶體管的電學特性的作用也微乎其微（圖1.a）。
然而，隨著柵極長度的縮小，耗盡區(qū)的延伸長度變得與溝道長度相當，柵極會部分失去對溝道的控制（圖1.b）。結(jié)果，在短溝道長度下會出現(xiàn)“閾值電壓滾降（VTHroll-off）”效應（圖2.）。
此外，如果在漏極施加偏壓（通常源極接地），漏極擴散區(qū)域的耗盡區(qū)會在溝道內(nèi)進一步加深，從而減小有效柵極長度——溝道長度調(diào)制效應，因此在VDS=VGS-VTH以上，電流不會飽和。當VDS值更高時，漏極耗盡區(qū)會進一步延伸到襯底，直至與源極耗盡區(qū)重疊。
因此，在短溝道晶體管中，漏極偏壓會進一步削弱柵極的控制能力。由于強漏極偏壓導致源極/漏極耗盡區(qū)的這種重疊，會使Source與Bulk結(jié)處的勢壘降低。由此導致的閾值電壓降低就定義了漏致勢壘降低（DIBL）效應。
總體結(jié)果是，隨著柵極長度的縮小，閾值電壓降低，當晶體管處于飽和區(qū)時，這種現(xiàn)象更為明顯（圖2）。
dibl效應
漏致勢壘降低效應（Drain-Induced Barrier Lowering，DIBL）是金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）中的重要物理效應，表現(xiàn)為漏極電壓升高時源極勢壘高度降低，導致器件閾值電壓下降。
當溝道長度縮短至納米級時，漏極耗盡層電場會穿透至源端區(qū)域，導致源結(jié)勢壘高度降低，形成柵極無法控制的漏電流通道。該效應直接造成閾值電壓下降和亞閾值電流陡增，導致器件關(guān)斷失效。
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