MOSFET-閾值電壓與溝道長(cháng)和溝道寬的關(guān)系-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-09-30
通常將傳輸特性曲線(xiàn)中輸出電流隨輸入電壓改變而急劇變化轉折區的中點(diǎn)對應的輸入電壓稱(chēng)為閾值電壓。
MOS管，當器件由耗盡向反型轉變時(shí)，要經(jīng)歷一個(gè) Si 表面電子濃度等于空穴濃度的狀態(tài)。此時(shí)器 件處于臨界導通狀態(tài)，器件的柵電壓定義為閾值電壓，它是MOSFET的重要參數之一 。
MOS管的閾值電壓等于背柵（backgate）和源極（source）接在一起時(shí)形成溝道（channel）需要的柵極（gate）對source偏置電壓。如果柵極對源極偏置電壓小于閾值電壓，就沒(méi)有溝道（channel）。
關(guān)于 MOSFET 的 W 和 L 對其閾值電壓 Vth 的影響，實(shí)際在考慮工藝相關(guān)因素后都是比較復雜，但是也可以有一些簡(jiǎn)化的分析，這里主要還是分析當晶體管處在窄溝道和短溝道情況下，MOSFET 耗盡區的電荷的變化，從而分析其對晶體管的閾值電壓的作用。
Narrow channel 窄溝的分析
從上圖可以看到，決定 MOSFET 閾值電壓的耗盡層電荷，并不僅是在柵下區域的電荷 Qch；實(shí)際上在圖中耗盡區左右與表面相接處，還需要有額外的電荷 Qchw。
在晶體管的溝寬 W 較大時(shí)，Qchw 這一額外的電荷可以忽略；而當溝寬 W 較小時(shí)，Qchw 不能再忽略，使得等效的耗盡層電荷密度增加，MOS 管的閾值電壓升高，即如上面右圖所示。
實(shí)際上，窄溝導致的閾值電壓的變化也可以理解為在溝寬 W 方向的邊緣電場(chǎng)的電力線(xiàn)出現在溝道以外，因此需要更多的柵電壓來(lái)維持溝道開(kāi)啟。
因此窄溝的效應實(shí)際上與具體的集成電路工藝，例如器件采用的隔離方式和隔離區域的摻雜濃度等關(guān)系很大。
對于 STI （shallow trench isolaTIon） 隔離方式的 MOSFET， 由于 STI wall 的作用，溝寬 W 方向的邊緣電場(chǎng)的電力線(xiàn)實(shí)際上是在溝道方向集中，因此會(huì )出現所謂的 inverse narrow-width effect，也即是隨著(zhù)溝寬 W 的減小，閾值電壓隨之減小。
Short channel 短溝的分析
如上面左圖所示， 晶體管中耗盡層電荷包括從源到漏的所有電荷。 但是， 實(shí)際上在靠近源和漏端的部分電荷 Qchl ， 不再直接受控于柵， 而是由源和漏來(lái)控制。 因此 Qchl 是不應該包含在閾值電壓的計算中的。
類(lèi)似之前的分析， 當溝長(cháng) L 較小時(shí)， 需要考慮 Qchl 影響， 使等效的耗盡層電荷密度減小， MOS 管的閾值電壓減小，即如上面右圖所示。
在具體工藝中， 由于存在溝道的非均勻摻雜等現象，實(shí)際上會(huì )使得有 reverse short-channel effect 的出現，即隨著(zhù) MOSFET 的溝長(cháng) L 的減小，閾值電壓會(huì )先小幅升高，之后 L 進(jìn)一步減小時(shí)，閾值電壓下降，并且此時(shí)的閾值電壓對溝長(cháng)的變化更為敏感。
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