摘要：Punch through 是半导体器件中一种不良效应，特别是在MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，当源极和漏极的耗尽区合并时，会在它们之间形成一条直接的电流路径。这种现象即使在晶体管本应处于“关闭”状态时也会发生。

Punch through 是半导体器件中一种不良效应，特别是在MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，当源极和漏极的耗尽区合并时，会在它们之间形成一条直接的电流路径。这种现象即使在晶体管本应处于“关闭”状态时也会发生。

1. 什么是 punch through？

Punch through 发生在源极和漏极的耗尽区扩展得足够远以至于相互接触时，从而有效地短路了沟道区域。这使得电流可以直接从源极流向漏极，绕过栅极的控制。穿通更可能发生在短沟道器件中，因为源极和漏极之间的物理距离非常小。

Fig1. punch through 示意图

2. Punch through 机制

a) 耗尽区形成

当MOSFET处于“关闭”状态时，栅极电压（VGS）低于阈值电压（Vth），沟道未形成。源极和漏极相对于体区是反向偏置的，因此在它们周围形成了耗尽区。

b) 耗尽区合并

随着反向偏置电压（VDS）的增加，漏极耗尽区宽度会变宽。由于在短沟道器件中，源极和漏极之间的距离很小，耗尽区可能会合并，从而有效地消除了它们之间的势垒。

c) 形成电流

一旦耗尽区合并，源极和漏极之间就会形成一条低电阻路径。电子（在NMOS中）或空穴（在PMOS中）可以直接从源极流向漏极，即使栅极电压没有形成沟道。这会导致漏电流显著增加，称为穿通电流（punch through current）。

3. Punch through 影响因素

a) 沟道长度：较短的沟道长度会增加穿通的风险，因为耗尽区更容易合并。

b) 掺杂浓度：沟道或体区的掺杂浓度较低时，耗尽区更容易扩展，从而增加穿通的风险。

c) 漏源电压：较高的VDS会增加源极和漏极结的反向偏置，导致耗尽区进一步扩展。

d) 温度：较高的温度会增加载流子的迁移率和热生成，加剧穿通效应。

4. Punch through 不利影响

a）漏电流增加：穿通为电流流动创造了直接路径，显著增加了关闭状态下的漏电流。

b）栅极控制失效：栅极电压无法再有效控制源极和漏极之间的电流流动。

c）器件故障：严重的穿通可能导致器件故障或由于过大的电流流动而永久损坏。

5. 防止 punch through 方法

a）掺杂：增加沟道区的掺杂浓度可以减少耗尽区的宽度，防止它们合并。减少源极和漏极结的深度可以限制耗尽区的横向扩展。halo implant 的应用可以抑制punch through.

b）先进器件：使用多栅极架构（如FinFET、GAAFET）以改善栅极控制并减少穿通效应。绝缘体上硅（SOI）衬底可以隔离晶体管体区，减少耗尽区的扩展。

c）降低源漏电压VDS：在较低的漏源电压下操作器件，以最小化耗尽区的扩展。

6. 总结

Reference:

1.Leakage Current Mechanisms and Leakage Reduction Techniques in Deep-Submicrometer CMOS Circuits.

2. Leakage in CMOS circuits - An introduction.

来源：卡比獸papa