Учебное пособие 800568

УДК 621.3

В.А. Дорохов, А.В. Арсентьев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ И ДЛИНЫ КАНАЛА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

МНОГОЗАТВОРНОГО ТРАНЗИСТОРА С НЕЗАВИСИМЫМИ ЗАТВОРАМИ В SPICE СИМУЛЯТОРЕ

Работа посвящена исследованию влияния длины и ширины канала многозатворного транзистора с независимыми затворами на его электрические характеристики.

В качестве объекта исследования был выбран двух затворный n-канальный FinFET транзистор согласно модели level 78, соответствующей стандарту BSIM-IMG, схематичное представление которого показано на рисунке 1.

Рис. 1. Схема исследуемого независимого (асимметричного) двух затворного полевого транзистора:

Source - исток; Drain - сток; fgate - верхний затвор; bgate - нижний затвор; TSi - толщина подложки; Tox1 - толщина оксида для верхнего затвора;

Tox2 - толщина оксида для нижнего затвора

120

Модель имеет 32 нм длину и 22 нм ширину канала, так же ассиметричные затворы с толщиной подзатворных диэлектриков для верхнего затвора в 1 нм и нижнего в 10нм соответственно. Данный вариант выбран исходя из того, что в окрестностях этих технологических норм применяется так же и планарная технология.

Проведем анализ поведения модели при подаче напряжения только на один затвор.

Рис. 2. Выходные (стоковые) характеристики при подаче напряжения fgate = 5 и bgate = 0

Как видно из рисунка 2 при фиксировании напряжения на одном из затворов, в данном случае потенциал нижнего затвора равен 0, выходные характеристики схожи с характеристиками классического транзистора, за исключением того, что не наступает режим насыщения. От части это объясняется малыми геометрическими размерами проводящего канала.

Рис. 3. Выходные (стоковые) характеристики при подаче напряжения fgate = 5 и bgate = 5

121

При подаче положительного потенциала на нижний затвор наблюдается увеличение общего тока (рис. 3), что связано со значением инверсионной области в канале от воздействия двух затворов. Так же можно сделать вывод, что ток через сток при максимальном значении напряжения на затворах становится меньше.

Далее рассмотрены стокозатворные характеристики, анализируя которые становится очевидно, что хоть и FinFET транзистор обладает улучшенным управлением канала, однако при малой длине канала все так же возможны незапланированные токи утечки через подложку или же тонкую изоляцию.

Рис. 4. Управляющие характеристики при подаче напряжения fgate = 5 и bgate = 0

Стоит отметить, входные характеристики представляют собой не классический вид.

Рис. 5. Управляющие характеристики при подаче напряжения fgate = 5 и bgate = 5

122

На рисунке 6 приведен результат моделирования при изменении длины канала. Отличие длинноканальных устройств заметно невооруженным глазом. Так, промоделировав устройство с каналом 1мкм получаем характеристики на которых видим, что ток насыщения изменяется по экспоненте с Vси для длинноканального устройства. В короткоканальных же устройствах он изменяется линейно и ток продолжает расти даже после напряжения насыщения, что было и продемонстрировано на первых рисунках выше.

Рис. 6. Выходные (стоковые) характеристики при L = 100 нм

На входных характеристиках (рис. 7) заметно изменение порогового напряжение, в данном случае оно равно 0,6 В, что соответствует типовому значению.

Рис. 7. Управляющие характеристики при L = 100 нм

Далее рассматривается влияние ширины канала устройства. Она была увеличена с 22 до 50 нм. И как видно по экспериментальным значениям ширина канала оказывает влияние как на крутизну характеристик транзистора, так и на сопротивление канала, а значит

123

и на протекающий ток. Важно отметить, что влияние пропорционально протекающему току, т.е. уменьшив значение ширины получим меньшее значение тока.

Рис. 8. Выходные характеристики при W = 50 нм

Рис. 9. Управляющие характеристики W = 50 нм

На управляющих характеристиках так же регистрируются изменения протекающего тока, что соответствует значениям изменениям на выходных характеристиках.

Литература

1.Colinge J. - P. FinFETs and Other Multi-Gate Transistors / J. - P. Colinge. - M.: Springer, 2008. - P. 339.

2.BSIM6: Analog and RF Compact Model for Bulk MOSFET / Y. S. Chauhan and etc. // IEEE Transactions on electron device. - 2014. Vol. 61. № 2. - P. 234 - 243.

Воронежский государственный технический университет

124

УДК 621.382.323

А.В. Арсентьев, Е.И. Мещерякова

ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ КАНАЛА НА ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-ТРАНЗИСТОРА

Работа посвящена исследованию МОП–транзисторов, их классификации. Также разработана модель МОП–транзистора с использованием приборно-технологического модулятора САПР TCAD. С помощью данной модели было рассмотрено влияние ширины канала на входные и выходные характеристики.

На протяжении более четырех десятилетий размер транзисторов уменьшался, и поэтому количество транзисторов в одном кристалле увеличивалось. Такое увеличение плотности упаковки стало возможным за счет непрерывного сжатия полевого транзистора металл - оксид - полупроводник. В настоящее время размеры транзисторов уменьшились до такой степени, что электрические характеристики устройства могут быть значительно ухудшены, что делает маловероятным продолжение уменьшения размера транзистора. Однако, недавно появилось новое поколение полевых МОПтранзисторов, называемых многозатворными транзисторами, и эта многозатворная геометрия позволит постоянно повышать производительность устройств в следующем десятилетии [1].

Целью работы является исследование двухзатворного полевого транзистора, изучение его характеристик при изменении толщины канала.

Рассмотрим типы полевых транзисторов, классификация которых приведена на рисунке 1. Полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с управляющим p - n переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET) или MOSFET. Полевые транзисторы представляют собой однополярные транзисторы, поскольку они выполняют одноканальную операцию

[2].

125

Промоделировав структуру, мы получили следующие характеристики. На рисунке 3 показаны выходные характеристики для представленного устройства. При напряжении затвора 2 В напряжение стока изменяется от 0 до 2 В с шагом 0,1 В. Следующие характеристики Iс - Uс определяются для различных напряжений затвора. Наклон кривой выходной характеристики выше для высокого приложенного напряжения на затворе соответственно. На рисунке 4 показаны подпороговые характеристические кривые, где

.

Рис. 3. Выходные (стоковые) характеристики

Рис. 4. Входные характеристики

Проведем исследование и последующий анализ при изменении геометрии канала на основании полученных статических харак-

127

теристик (рис. 5 – 7). Для начала рассмотрим влияние ширины канала.

На рисунке показано масштабирование ширины ребра до 60

нм.

Рис. 5. Структура с шириной канала, равной 60 нм

Рис. 6. Выходные характеристики при

Из рисунка 6 мы можем выяснить, что FinFET с более широкой толщиной ребра показывают улучшенные характеристики относительно тока стока, поскольку тепловые осложнения FinFET еще более усугубляются с меньшим ребром. Помимо отличных электростатических характеристик, освещенных в данной структуре, она подвергаются значительному саморазогреву.

128