
- •Лекция 8 Многозатворные мопт
- •8.2 Структуры многозатворных моп-транзисторов
- •8.2.1 Двухзатворные кни моп-транзисторы
- •8.2.2 Трехзатворные кни моп-транзисторы
- •8.2.3 Кни моп-транзисторы с окружающим затвором (четырехзатворные)
- •8.2.4 Другие многозатворные моп-структуры
- •8.3 Физика многозатворного моп-транзистора
- •8.3.1 Характерная длина и короткоканальные эффекты
- •8.3.2 Рабочий ток
- •8.3.3 Угловой эффект
- •8.3.4 Квантовые эффекты и объемная инверсия
- •8.3.5 Эффекты подвижности
- •8.3.6 Пороговое напряжение
- •8.4 Заключение
- •Литература:
- •Задание для срс
- •Вопросы для самопроверки
8.3.4 Квантовые эффекты и объемная инверсия
Толщина
и/или ширина многозатворных МОП
транзисторов достигает значений менее
10 нанометров. При этих условиях электроны
в канале (если мы в качестве примера
берем n-канальный
прибор) образуют или двухмерный
электронный газ (2DEG), если мы рассматриваем
двухзатворный прибор, или одномерный
электронный газ (1DEG), если мы рассматриваем
трех- или четырехзатворный МОП-транзистор.
Рассмотрим двухзатворный прибор,
выполненный в тонком слое кремния.
Примем систему координат, используемую
на рис.8.8, толщина слоя кремния составляет
,
электроны свободно перемещаются в
направленияхx
и z,
но они ограничены в направлении y.
В тонком и узком трех- или четырехзатворном
приборе электроны свободно двигаются
только в направлении x
и ограничены в направлениях y
и z.
Это приводит к образованию энергетических
подзон и электронных распределений в
слое кремния, которые могут значительно
отличаться от тех, что описываются
классической теорией. В частности,
инверсионные слои не обязательно
локализуются у поверхности кремниевого
слоя, а могут образовываться в глубине
слоя, увеличивая объем инверсии. Квантовые
ограничения электронов являются также
причиной ранее не наблюдавшихся до
этого момента свойств подвижности и
порогового напряжения.
Объемная инверсия – это явление, появляющееся в очень тонком (или узком) слое многозатворных КНИ МОП-транзисторов, в результате которого инверсные носители ограничены не вблизи границы раздела Si/SiO2, как предполагается классической теорией приборов, а в центре слоя. Чтобы корректно спрогнозировать объемную инверсию, необходимо решить уравнения Шредингера и Пуассона самосогласованным методом.
Когда
многозатворный МОП-транзистор работает
в режиме объемной инверсии, электроны
образуют низкоразмерный электронный
газ (двухмерный электронный газ для
двухзатворного прибора и одномерный
электронный газ для трех-, П-, -затворного
приборов или прибора с окружающим
затвором). В результате формируются
энергетические подзоны. Примеры профилей
концентрации электронов в двухзатворных
МОП-транзисторах для различной толщины
слоя кремния
и дляVG>VTH
представлены
на рис.8.14. Профили концентрации электронов
в FinFET
транзисторе, трехзатворном МОП транзисторе
и транзисторе с окружающим затвором
показаны на рис.8.15. В каждом случае
наблюдается высокая концентрация
электронов в середине слоя кремния или
плавника, что соответствует объемной
инверсии. Прямым следствием объемной
инверсии является увеличение подвижности
инверсных носителей в тонкопленочном
приборе.
Рис.
8.14. Профиль
распределения электронов в двухзатворных
МОП-транзисторах с различными значениями
толщины слоя кремния ().
Рис. 8.15. Профиль распределения электронов в FinFET транзисторе (A,B), трехзатворном полевом транзисторе (C,D) и транзисторе с окружающим затвором (E,F) при пороговом напряжении (A,C,E) и напряжении выше порогового (B,D,F). Вертикальный масштаб (электронная концентрация) различается для каждого графика.
8.3.5 Эффекты подвижности
Объемно-инверсные носители испытывают меньшее рассеяние на поверхности раздела, чем носители в поверхностном инверсном слое. В результате в двухзатворных транзисторах обеспечивается увеличение подвижности и крутизны. Кроме того, интенсивность рассеяния на фононах ниже в двухзатворных приборах, чем в однозатворных транзисторах. Зависимость подвижности от толщины слоя в двухзатворных МОП-транзисторах проиллюстрирована на рис.8.16. В толстых пленках нет взаимодействия между передним и задним каналом, и нет объемной инверсии. Подвижность идентична подвижности в объемном МОП-транзисторе. Если слой тоньше, появляется объемная инверсия, и подвижность увеличивается, так как уменьшается рассеяние на поверхности раздела Si-SiO2.
Рис. 8.16. Зависимость подвижности инверсных носителей от толщины слоя кремния в двухзатворном транзисторе.
В более толстых слоях инверсные носители концентрируются вблизи поверхности, а в более тонких слоях большинство носителей концентрируются около середины слоя кремния, отдаляясь от центров рассеяния на поверхности раздела (рис. 8.14), что увеличивает их подвижность. В очень тонких слоях кремния, однако, инверсные носители в области объемной инверсии испытывают поверхностное рассеяние по причине их физической близости к поверхностям раздела, и подвижность падает с уменьшением толщины слоя.