キンク効果とは、主にPD-SOI基板上のMOSFETで、飽和領域のドレイン電流が特定の電圧を境に段差状（キンク＝折れ曲がり）に急増する現象です。ドレイン端の衝突電離で生じた正孔が、埋め込み酸化膜で孤立したボディから逃げられず蓄積し、ボディ電位を押し上げてしきい値電圧を下げることが原因で、シリコンのバンドギャップ1.12eVを超える電界が必要なため通常はV_dが1.5〜2Vを超えてから現れます。ボディコンタクトの追加かFD-SOIの採用で回避します。
キンク効果（キンクこうか）とは、主にSOI（Silicon on Insulator）基板上のMOSFETで見られる、ドレイン電流-電圧特性の飽和領域で電流が段差状に急増する現象です。特性曲線に折れ曲がり（kink）が現れることからこう呼ばれ、SOIデバイス特有の課題として知られます。
原因はボディ（チャネル下の中性領域）に生じる電位の浮きです。ドレイン電圧が高くなると、チャネル端で衝突電離によって正孔が発生します。SOIでは埋め込み酸化膜によりボディが電気的に孤立しているため、この正孔がボディに溜まってボディ電位を押し上げ、実効的なしきい値電圧が下がってドレイン電流が段差状に増加します。
キンク効果はアナログ回路の線形性やデジタル回路の動作余裕を損なうため、対策が必要です。ボディコンタクトを設けて溜まった正孔を逃がす方法や、完全空乏型SOI（FD-SOI）を採用してボディに正孔が溜まらないようにする方法が使われます。なお「キンク」は他分野でも使われる語ですが、半導体では本現象を指します。
キンク効果は単発の現象ではなく、正帰還のループとして理解すると分かりやすくなります。 PD-SOI（部分空乏型SOI）のnチャネルMOSFETで、 ドレイン電圧 Vd を上げていったときの流れは次のとおりです。
このループが働く結果、飽和領域で平坦であるはずの Id–Vd 曲線が ある電圧を境に段差状に立ち上がります。曲線に現れる折れ曲がりが「キンク（kink）」です。 衝突電離にはシリコンのバンドギャップ 1.12 eV 以上のエネルギーが要るため、 キンクが観測され始めるのは Vd がおおむね 1.5〜2 V を超えてからで、 電源電圧の低い先端ロジックでは相対的に出にくくなります。
| 構造 | ボディの状態 | キンク効果 |
|---|---|---|
| バルクSi | 基板と繋がっており、正孔は基板コンタクトへ抜ける | 基本的に出ない |
| PD-SOI（部分空乏型） | 空乏層がBOXに届かず、中性のボディが孤立して残る | 出る（最も典型的） |
| FD-SOI（完全空乏型） | シリコン層が薄く全体が空乏化し、正孔が溜まる中性領域がない | 原理的にほぼ出ない |
| FinFET・GAA | チャネルが薄く空乏化しやすいが、フィン下部が孤立すると浮遊ボディ的に振る舞う | 構造と条件による |
つまりキンク効果の本質はSOIという材料そのものではなく、 「発生した正孔が逃げられない中性領域があるかどうか」です。SOIを採用しながらキンクを避けたい場合に完全空乏型が選ばれるのは、 この中性領域を構造的に消してしまうためです。
キンク効果が問題になるのは、主にアナログ・混載回路です。 飽和領域の出力コンダクタンスが跳ね上がるため、 カスコード段やカレントミラーの出力抵抗が設計値どおりに出ず、 利得やPSRRが劣化します。
デジタル回路では、直前の動作履歴によってボディ電位が変わる「ヒストリ効果」として現れます。 同じゲートでも直前のスイッチング状況によってしきい値がわずかに違い、 伝搬遅延がばらつくため、タイミング検証のマージンを削ります。チャネル長変調による緩やかな電流増加と違い、 キンクは特定電圧を境に不連続に立ち上がるため、モデル化も扱いも難しくなります。
バンドギャップの狭い材料（Ge、一部のIII-V族）では衝突電離がより低い電圧で始まるため、 同じ構造でもキンクが顕在化しやすくなります。
半導体分野で「キンク」と呼ばれるものは1つではありません。検索でたどり着いた語がどれを指しているか、 先に切り分けておくと混乱を避けられます。
| 用法 | 分野 | 意味 |
|---|---|---|
| キンク効果（本項） | デバイス物理 | SOI MOSFETのId–Vd特性に現れる段差状の電流増加 |
| キンク（結晶表面） | 結晶成長 | 結晶表面のステップに沿って現れる折れ曲がり点。テラス・ステップ・キンク・アドアトムからなるTSKモデルの構成要素で、表面を拡散してきた原子が優先的に取り込まれる場所 |
| キンク（曲線一般） | 計測全般 | I-V・C-V曲線などの折れ曲がりを指す一般名詞。原因は特定されない |
2番目の結晶表面のキンクはエピタキシャル成長を理解するうえで重要な概念です。 気相から供給された原子はまずテラス上に吸着してアドアトムとなり、表面を拡散してステップの端へ到達し、 最も結合手の多いキンク位置に優先的に取り込まれます。この繰り返しでステップが横方向に前進していく成長様式が ステップフロー成長で、原子レベルで平坦な単結晶膜が得られる理由でもあります。 ウェハにオフ角（微傾斜）を付けてステップ密度を意図的に上げるのは、この取り込み位置を増やすためです。
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