9.6.3 Короткоканальные эффекты и индуцированное стоком понижение барьера.

Для короткоканальных транзисторов, заряд в инверсном слое распределён между истоком/стоком и затвором. В результате, количество обедненного заряда, который определяет пороговое напряжение в коротких транзисторах уменьшается, приводя к падению порогового напряжения с уменьшением длины затвора. Рисунок 9.20 показывает, что инверсный слой под затвором, частично определяется напряжением стока и истока.

Когда длина затвора становится очень малой по сравнению со стоком и истоком, глубиной перехода и ширины обеднённой области, затвор не в состоянии полностью контролировать потенциал в области канала. Напряжение стока будет влиять на напряжение в канале вблизи истока.

Рис 9.20. Поперечное сечение MOSFET демонстрирует обеднённую область под затвором, истоком и стоком. Обеднённая область под затвором частично зависит от обеднённой области, контролируемой источником и стоком, в результате короткоканальных эффектов.

Это называется понижением барьера, индуцированным стоком (DIBL). Это приводит к уменьшению порогового напряжения, увеличению подпорогового тока с напряжением стока и пробою между истоком и стоком. Последнее приводит к большому току утечки независимо от напряжения на затворе. Сведение к минимуму расстояния между областью канала и квазинейтральным объёмом может уменьшить эффект DIBL. Это требует малой ширины истощения подложки (и высокого легирования канала), неглубоких переходов стока и истока, или неравномерная имплантация канала в боковом и вертикальном направлении (супергалогенная имплантация). DIBL является одним из главных ограничений масштабирования обычных планарных транзисторов.

9.6.4. Эффекты узкой ширины

Для каналов узкой ширины ширина истощения под затвором будет проходить вдоль направления ширины канала. Это приводит к увеличению порогового напряжения, так как увеличивается суммарный заряд в инверсном слое (уравнение 17). Как было в случае с короткоканальным эффектом, эффект узкой ширины также может быть уменьшен более малой шириной инверсного слоя (или более высоким легированием подложки). С другой стороны, более высокий уровень легирования снижает подвижность носителей в инверсном слое. Тщательное проектирование профиля легирования подложки стало необходимым для того, чтобы обеспечить правильную работу масштабируемых устройств.

9.6.5 Насыщение скорости

Скорость подвижных зарядов увеличивается пропорционльно электрическому полю. Однако, когда поле становится большим (E = 2.10⁴ В/см для электронов), заряды теряют свою энергию быстрее и подвижность уменьшается. Скорость дрейфа носителей достигает максимального значения для электронов и для дырок в области канала. Это явление называется насыщением скорости. В короткоканальных устройств, насыщение скорости может происходить под действием большого электрического поля. В результате ток больше не будет увеличиваться с напряжением стокаи не будет зависеть от длины канала L. Ток для устройств с очень коротким каналом становится равным

(9.31)

Это влияет на поведение масштабирования транзистора, так как ток не зависит от длины затвора и линейно зависит от . Коэффициент масштабирования для обобщённого метода масштабирования тока в режиме насыщения скорости равен k/α вместо k²/α (таблица 9.1).