Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ3 / Часть 2 / Часть 2 / 5

52

5. Эффекты малых размеров (короткий или узкий канал)

5.1. Класификация эффектов малых размеров.

3 группы эффектов:

1). Краевые эффекты в ОПЗ.

2). Увеличение продольного поля и разогрев носителей в канале.

3). Новые механизмы тока (из-за близости стока к истоку).

5.2. Пороговое напряжение.

При малых значениях и — (эффект 1-й группы).

1). Влияние длины канала.

При малой длине канала уменьшается эффективный объем ОПЗ и эффективный заряд :

; Следует заменить .

; . ; .

;

, где

; , —толщина ОПЗ под истоком и стоком, — толщина -областей, — контактная разность потенциалов -область — -подложка.

а) (эффект короткого канала).

б) уменьшается при уменьшении и при увеличении (т.е. при пропорциональном уменьшении ).

в) Пороговое напряжение п-канальных транзисторов уменьшается, а р-канальных — увеличивается. В любом случае увеличивается ток стока.

г): При малой длине канала пороговое напряжение зависит от напряжения сток-исток — через зависимость .

2). Влияние ширины канала.

При малой ширине канала увеличивается эффективный объем ОПЗ и эффективный заряд :

F_z0

Z

l_T

F_z

l_T

l_T

;

.

а) (эффект узкого канала).

б) не зависит от и .

в) Пороговое напряжение п-канальных транзисторов увеличивается, а р-канальных — уменьшается. В любом случае уменьшается ток стока.

5.3. Смыкание ОПЗ стока и истока.

При малой длине канала близость ОПЗ стока и истока приводит к их смыканию при увеличении напряжения сток-исток до величины за счет расширения ОПЗ под стоком (эффект 3-й группы).

а – форма ОПЗ;

б – зависимость Е_с(0, у);

в - выходная ВАХ.

В режиме смыкания () сглаживается потенциальный барьер для электронов в п⁺-области истока.

К основному току канала добавляется ток инжектированных в подложку носителей.

Эффект смыкания похож на пробой —ток стока резко возрастает при .

Условие смыкания:

, (5.3.1)

, (5.3.2) (5.3.3).

Подставляя (5.3.2) и (5.3.3) в (5.3.1), получим напряжение смыкания:

.

Напряжение смыкания резко снижается при уменьшении длины канала до . Для повышения напряжения смыкания следует увеличивать концентрацию примеси в подложке N_В (уменьшаются ).

5.4. Ограничение дрейфовой скорости носителей в канале.

Эффект 2-й группы. Уменьшение увеличение продольного поля разогрев носителей в канале  возбуждение оптических фононов  снижение подвижности носителей (насыщение дрейфовой скорости).

Реально скорость носителей всегда конечна. В кремнии

см/с.

Из-за насыщения скорости канал не перекрывается полностью.

Следствия:

1). Насыщение тока наступает при меньшем напряжении V_{DS S} .

2). В пологой области C_DS  0.

3). В пологой области ВАХ ток стока I_D возрастает с ростом V_DS:

В разделе 3.3. мы получили:

При : . Отсюда:

, где .

В крутой области: . На границе ():

.

а) При (длинный канал):

, ; ; .

Проходная ВАХ квадратична; крутизна ;

предельная частота .

б) При (короткий канал):

, ; ; ; ,

где — время пролета носителей через канал.

Проходная ВАХ линейна; крутизна не зависит от и ;

предельная частота соответствует времени пролета.

5.5. Модуляция длины канала

В пологой области ВАХ увеличивается длина участка канала, где , и . На участке длиной, где транзистор можно рассматривать как виртуальный транзистор с длиной канала . Виртуальный транзистор работает на границе крутой области (для него ), причем уменьшается с ростом настоящего напряжения (эффект модуляции длины канала напряжением ).

Для виртуального транзистора , где . При повышении : уменьшается, возрастает, и ток стока возрастает.

Идеализированнвй (длинноканальный) транзистор: в пологой области , и .

Короткоканальный транзистор: в пологой области

, и значение конечо (уменьшается с уменьшением ).

Значение находится решением уравнения Пуассона на поверхности канала на участке, где :

, где .

5.6. ВАХ короткоканального транзистора

1 — ВАХ идет круче из-за снижения V_T.

2 — V_{DS S} уменьшается из-за насыщения скорости носителей.

3 — Ток растет из-за модуляции длины канала.

4 — Смыкание канала.

5 — Снижение V_T из-за повышения V_DS.

Основные результаты

1. Эффекты малых размеров в МДПТ связаны с краевыми эффекты в ОПЗ, разогревом носителей в канале продольным полем и новыми механизммами тока (из-за близости стока к истоку).

2. Пороговое напряжение п-канальных транзисторов уменьшатся при уменьшении длины канала, увеличении ширины канала и увеличении напряжения сток-исток; р-канальных — наоборот.

3. Смыкание ОПЗ стока и истока приводитк эффекту, аналогичномк пробою.

4. Ограничение дрейфовой скорости носителей в канале приводит к тому, что в пологой области ВАХ канал на границе со стоком не перекрывается полностью. Ограничение дрейфовой скорости носителей уменьшает ток стока в пологой области ВАХ и снижает напряжение сток-исток насыщения.

5. При увеличении напряжения сток-исток в пологой области ВАХ уменьшается эффективная длина канала. В результате выходная проводимость транзистора конечна.