1.2.5 MOS晶體管的短溝道效應

隨著器件尺寸的減小，器件的特征尺寸已經進入亞微米、深亞微米，導致各種高場效應在中反型（弱反型和強反型間）時就占主導地位，這些效應包括速度飽和、閾值電壓降低和熱載流子效應等。

其中基本的效應是速度飽和效應，由公式v=μE，可知電場E的增大將導致載流子速度v的增加，但由于高能聲子散射，載流子速度最終不再隨電場變化。在硅中，當電場約為106V/m時，電子漂移速度對電場強度的依賴程度降低，最終在溝道中某一點，載流子的速度將達到飽和值（vsat），約為105m/s。極端情況下，載流子甚至會在整個溝道區域達到速度飽和。

在長溝器件中飽和漏電流等于溝道夾斷時的電流，而在短溝器件中，當載流子速度飽和時，電流也就已經飽和。在速度飽和情況下，MOS漏電流公式改寫為

從式（1.27）可看出電流與過驅動電壓成線性比例關系，而與溝道長度L無關。實際上，對L＜1μm的器件，ID～VGS的特性已經表現出速度飽和，因為VGS-VTH等量增加產生了ID近似等量的增加，如圖（1.18）所示。

同時，由gm=vsat WC ox可知速度飽和時，跨導為溝長、漏電流的弱函數。隨著V G S增加，漏電流在溝道夾斷之前已經充分飽和，如圖（1.19）所示。速度飽和使得VGS增加所引起的ID增量下降，因此gm也低于平方率所預期的數值。

圖1.18 速度飽和對漏極電流的影響

圖1.19 漏電流的提前飽和及跨導的降低

漏電壓的增加使溝道變短，導致非零輸出阻抗，當溝長很短時，與漏電壓有關的電場會向源極擴展，使得有效閾值電壓降低。這種效應稱為“漏致勢壘降低”（Drain Induced Barrier Lowering，DIBD），它導致亞閾值電流大量增加，此時輸出導納的降低也比簡單的“溝道長度調制”效應所引起的更加嚴重。

在短溝器件中，漏端電場非常強，以至于載流子在兩次散射間可以獲得足夠大的能量，使得下次碰撞時產生碰撞電離，這些載流子稱為“熱載流子”。碰撞電離將產生電子 — 空穴對，在NMOS中，電子流向漏極，而空穴被襯底收集，結果導致襯底電流大量增加。同樣，“熱電子”也會導致柵電流增加，而且組成柵電流的一些電荷會留在氧化層中，使得NMOS閾值電壓上升，PMOS閾值電壓下降。雖然，這種效應可以用來制作非揮發存儲器，但是在普通電路中，此效應會降低電路的可靠性。