1.2.5 MOS晶体管的短沟道效应

随着器件尺寸的减小，器件的特征尺寸已经进入亚微米、深亚微米，导致各种高场效应在中反型（弱反型和强反型间）时就占主导地位，这些效应包括速度饱和、阈值电压降低和热载流子效应等。

其中基本的效应是速度饱和效应，由公式v=μE，可知电场E的增大将导致载流子速度v的增加，但由于高能声子散射，载流子速度最终不再随电场变化。在硅中，当电场约为106V/m时，电子漂移速度对电场强度的依赖程度降低，最终在沟道中某一点，载流子的速度将达到饱和值（vsat），约为105m/s。极端情况下，载流子甚至会在整个沟道区域达到速度饱和。

在长沟器件中饱和漏电流等于沟道夹断时的电流，而在短沟器件中，当载流子速度饱和时，电流也就已经饱和。在速度饱和情况下，MOS漏电流公式改写为

从式（1.27）可看出电流与过驱动电压成线性比例关系，而与沟道长度L无关。实际上，对L＜1μm的器件，ID～VGS的特性已经表现出速度饱和，因为VGS-VTH等量增加产生了ID近似等量的增加，如图（1.18）所示。

同时，由gm=vsat WC ox可知速度饱和时，跨导为沟长、漏电流的弱函数。随着V G S增加，漏电流在沟道夹断之前已经充分饱和，如图（1.19）所示。速度饱和使得VGS增加所引起的ID增量下降，因此gm也低于平方率所预期的数值。

图1.18 速度饱和对漏极电流的影响

图1.19 漏电流的提前饱和及跨导的降低

漏电压的增加使沟道变短，导致非零输出阻抗，当沟长很短时，与漏电压有关的电场会向源极扩展，使得有效阈值电压降低。这种效应称为“漏致势垒降低”（Drain Induced Barrier Lowering，DIBD），它导致亚阈值电流大量增加，此时输出导纳的降低也比简单的“沟道长度调制”效应所引起的更加严重。

在短沟器件中，漏端电场非常强，以至于载流子在两次散射间可以获得足够大的能量，使得下次碰撞时产生碰撞电离，这些载流子称为“热载流子”。碰撞电离将产生电子 — 空穴对，在NMOS中，电子流向漏极，而空穴被衬底收集，结果导致衬底电流大量增加。同样，“热电子”也会导致栅电流增加，而且组成栅电流的一些电荷会留在氧化层中，使得NMOS阈值电压上升，PMOS阈值电压下降。虽然，这种效应可以用来制作非挥发存储器，但是在普通电路中，此效应会降低电路的可靠性。