Вах характеристики мдп транзисторов с коротким и длинным каналом. Сравнительный анализ.

Первое отличие ВАХ транзистора с коротким каналом заключается в меньшем напряжении насыщения. При длинном канале насыщение происходит вследствие перекрытия канала у стока, а

При коротком канале помимо этого насыщению способствует эффект сильного поля. Он заключается в том, что с ростом напряжения UСИ и продольной составляющей вектора напряженности электрического поля Ey подвижность электронов уменьшается, а их дрейфовая скорость увеличивается непропорционально Еу, стремясь к постоянной величине – скорости насыщения. Это замедляет рост тока при увеличении напряжения.

Второе отличие состоит в том, что ток стока и крутиз­на оказываются большими из-за уменьшения длины канала. Третье отличие – с ростом напряжения на затворе U_зи характеристики из квадратичных стремятся стать линейными из-за влияния эффекта сильного поля.

Следует отметить еще одну важную особенность МДП-транзисторов с коротким каналом. В сильном электрическом поле, сущест­вующем в канале у стока, электроны на длине свободного пробега могут приобретать энергию, значительно превышающую среднюю энергию теплового движения. Такие электроны называют горячими. Некоторые из них имеют энергию, достаточную для преодоления по­тенциального барьера на границе кремний – диэлектрик (окисел). Эти электроны могут проникать (инжектироваться) в окисел и захва­тываться существующими там ловушками, изменяя заряд в окисле. В результате возрастает и становится нестабильным пороговое на­пряжение. Нестабильность порогового напряжения увеличивается с ростом концентрации ловушек в окисле. Для уменьшения неста­бильности применяется ряд технологических мер.

Основные проблемы миниатюризации мдп транзисторов. Выбор материала подзатворного диэлектрика.

Долгое время снижение размеров транзистора осуществлялось путём простого масштабирования, то есть пропорциональным уменьшением длины затвора, толщины диэлектрика и глубины залегания n-p переходов. Переход проектных норм через границу 0,13 мкм в рамках традиционной структуры транзистора наталкивается на ряд физических ограничений.

Основными проблемами при микроминиатюризации МДП-транзисторов являются:

- туннелирование через затвор;

- инжекция горячих носителей в подзатворный диэлектрик;

- смыкание ОПЗ n-p переходов истокоа и стока («прокол»);

- токи утечки в подпороговой области;

- уменьшение подвижности носителей в канале;

- увеличение последовательного сопротивления между истоком и стоком;

- обеспечение запаса между пороговым напряжением и напряжением питания.

В настоящее время коммерчески доступной является технология с минимальными горизонтальными размерами элементов 65 нм, позволяющая реализовать массовое производство микропроцессоров класса Intel Pentium 4 на МДП-транзисторах с длиной канала менее 60 нм и толщиной подзатворного окисла порядка 1,5 нм.

Одним из путей увеличения передаточной проводимости и нагрузочной способности МДП-транзистора является уменьшение толщины подзатворного оксида. Толщина подзатворного диэлектрика современных МДП транзисторов составляет всего несколько атомных слоёв (рис. 21.5). Для предотвращения возникновения токов утечки в цепи затвора толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2–3 нм. Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора, необходимо пропорционально

увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. В качестве замены традиционного для кремниевой технологии термического оксида SiO2 с диэлектрической проницаемостью ε = 3.9 были предложены диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью ZrO2, HfO2 (ε ≈ 25), Y2O3 (ε ≈ 15), Al2O3 (ε ≈ 10). В результате можно сформировать более толстый подзатворный диэлектрик без уменьшения усилительных свойств транзистора. При этом также уменьшается вероятность туннелирования электронов через подзатворный диэлектрик, а следовательно, существенно снижается ток утечки затвора.