dsd1-10 / dsd-01=Компоненты ИС / Staroselskiy OLD / 02.MDPeshki / 5
.doc
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 :
Fz Z lT Fz0 lT lT
;
.
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).
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 NВ (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 VDS S .
2). В пологой области CDS 0.
3). В пологой области ВАХ ток стока ID возрастает с ростом VDS:
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 VT.
2 — VDS S уменьшается из-за насыщения скорости носителей.
3 — Ток растет из-за модуляции длины канала.
4 — Смыкание канала.
5 — Снижение VT из-за повышения VDS.
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.