短沟道效应

短沟道效应：缓变沟道的近似不再成立，这个二维电势分布会导致阈值电压随L的缩短而下降，亚阈值特征的降级以及由于隧穿穿透效应而使电流饱和失效，在沟道出现二维电势分布以及高电场，这些不同于长沟道MOS场效应晶体管特性的现象，统称为短沟道效应。

简介解释一：短沟道效应主要是指阈值电压与沟道相关到非常严重的程度。

解释二：沟道长度减小到一定程度后出现的一系列二级物理效应统称为短沟道效应。如漏致势垒降低（DIBL），随着漏源电压的增大，漏衬反偏PN结空间电荷区展宽，则沟道的有效长度减小，此在短沟道中尤为明显， 严重会导致源漏穿通器件失效。1

内容短沟道效应（英语：short-channel effects）是当金属氧化物半导体场效应管的导电沟道长度降低到十几纳米、甚至几纳米量级时，晶体管出现的一些效应。这些效应主要包括阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低、载流子表面散射、速度饱和、离子化和热电子效应。2

特点（1）影响阈值电压的短沟、窄沟效应

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。

（2）迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应

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。

（3）影响器件寿命的热载流子效应

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。

（4）亚阈特性退化，器件夹不断

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。

DIBL效应是指，当漏极加上高电压时。由于栅很短，源极同时受到漏极电场的影响，在此电场影响下，源结势垒降低。且漏极耗尽层扩展，甚至跟源结的耗尽区相连，至使器件无法关断。

为降低二级物理效应的影响，实现短沟道器件，要在器件结构上加以改进。一方面设法降低沟道电场，尤其是漏端电场；另一方面要消除PN结之间、器件之间的相互作用。因此出现了轻掺杂漏MOS结构(LDD)和绝缘衬底上硅结构(SOI)。1

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学