9.6. Малоразмерные эффекты

Цель масштабирования состоит в том, чтобы отрегулировать размеры устройства таким образом, что рабочие характеристики такого транзистора в основном останутся теми же, что и для длинноканальных устройств. Хотя масштабирование представляет собой эффективный метод для уменьшения размеров устройств без снижения его производительности или надежности, некоторые параметры не очень хорошо масштабируются, что вызвет определенные проблемы, связанные с транзисторами малого размера. Они включают в себя увеличение тока отключения, эффекты короткого канала и узкой ширины, повышение плотности тока и горячих электронов.¹⁶

9.6.1. Масштабирование подзатворного тока

Когда транзистор отключается с созданием на затворе напряжения , транзистор отключается не полностью, а переходит в подпороговый режим. Определенное количество тока отключения будет течь, как это определяется выражением (9,29) при . Так как емкость при масштабировании, ток отключения или подпороговый ток утечки также увеличивается с масштабированием. Кроме того, экспоненциальная зависимость тока утечки от порогового напряжения при масштабировании вызывает экспоненциальное увеличение плотности мощности, связанной с подпороговым током. Для того чтобы ограничить это увеличение рассеиваемой мощности, пороговое напряжение снижают в меньшей степени, чем это предусмотрено масштабированием с постоянным током. Однако, в соответствии тенденциями масштабирования на производстве, подпороговая плотность мощности увеличилась гораздо быстрее, чем активная плотность мощности. Если эта тенденция не изменяется, подпороговая плотность мощности будет равна активной мощности для длины затвора около 20 нм, как показано на рисунке 9.19b. Ситуация становится еще хуже при более высоких температурах, так как подпороговый ток быстрее увеличивается с температурой, чем рассеяние активной мощности. Такие методы, как использование двух пороговых уровней напряжения, или смещение подложки, чтобы уменьшить или увеличить пороговое напряжение (через эффект тела) применяются для преодоления обратной связи между током утечки и задержки, активным и пассивным рассеянием мощности. Для маломощных приложений, часто приходится жертвовать производительностью, выбирая способы с более высоким и, таким образом, более низким током отключения (off-currents).

9.6.2. Горячие электроны

В связи с отсутствием масштабирования подпорогового тока, масштабирование с постоянным электрическим подем не представляется возможным для высокопроизводительных схем. Таким образом, электрическое поле через канал в малоразмерных транзисторах значительно увеличивается на протяжении канала транзистора. Электрон, который проходит из истока к стоку может получить кинетическую энергию и перейти на более высокие энергирические уровни в зоне проводимости. Такие электроны называются «горячими» электронами. Некоторые из этих электронов получат достаточную энергию, чтобы преодолеть энергетический барьер (E = 3.1 эВ) между кремнием и оксидом (Рис. 9.15). Большинство из этих электронов будут собраны на электроде затвора, но некоторые из них окажутся в ловушке внутри оксида. Эти ззаряды делают вклад в эффективный заряд и будут повышать пороговое напряжение . Кроме того, количество состояний на границе раздела будет увеличиваться за счет убытка на границе, увеличивая параметр эффект тела m и подпороговый наклон S. Тщательная разработка параметров прибора и использование слаболегированного стока (LDD) поможет решить эту проблему.