Кругляк_Физика и моделирование нанотранзисторов_2018_314 стр_обложки
.pdf
Из (66) и (68) для тока и заряда имеем
|
|
|
W |Q (V ,V |
) | vball |
1 |
|
( |
FD |
) / ( |
FS |
) |
|
||||||||||||||||||
|
I |
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
, |
|||||||||||||
|
|
|
1 0 |
(FD ) / |
0 (FS ) |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
DS |
|
|
GS |
DS |
|
|
inj |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q(V |
,V ) q |
N2D |
[ ( |
|
) ( |
FD |
)], |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(69) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
GS |
DS |
|
|
2 |
|
0 FS |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
1/2 (FS ) |
|
|
|
|
1/2 (FS ) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
vball |
v |
v |
|
|
2kT |
|
, |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
inj |
x |
|
T |
( |
FS |
) |
|
|
|
m * ( |
FS |
) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
FD FS qVDS /kT.
Это уравнение и есть уравнение выходной характеристики для баллистических MOSFET для всей области изменения напряжения на стоке. Уравнения такого типа были впервые получены в [19] и позже уточнены в [20].
Процедура вычисления выходной характеристики для баллистических MOSFET может быть следующей. Сначала вычисляем электронный заряд Q(VGS ,VDS ) из уравнений электростатики MOS, например, из полуэмпирического уравнения (56/гл. 4). Задавшись вычисленным значением заряда, определяем положение уровня Ферми истока из второго уравнения в (69). Затем определяем баллистическую скорость из третьего уравнения. Наконец, находим ток в каждой точке (VGS ,VDS ) по первому уравнению в (69). Вычисленные таким образом характеристики для параметров ETSOI n-MOSFET из [21] приведены на рис. 9.
Рис. 9. Моделирование выходных характеристик баллистических MOSFET [6]. Использовались реальные параметры ETSOI n-MOSFET из [21]. Значение IOFF
было выбрано равным 100 нА/µм, что привело к VT 0.44 В . Учитывались терминальные сопротивления RSD RS RD 260 м , а VGS 0.5(0.1)1.0 В .
180
Покажем, что общее баллистическое уравнение (69) дает правильные
значения токов IDLIN (61) и IDSAT (64). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Сначала рассмотрим линейную область. Поскольку VDS |
|
мало, т. е. FS FD , |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
то знаменатель в (69) равен двойке: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
IDLINball |
|
W |Q (VGS ,VDS ) | vinjball |
1 |
|
( |
FD |
) / ( |
FS |
) |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
. |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
После умножения и деления на 1/2 ( FS ) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
IDLINball W |Q (VGS ,VDS ) | vinjball |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
FS |
) |
|
|
( |
FD |
) |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
. |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
( |
FS |
) |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Далее умножаем и делим на FS FD qVDS /kT : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
vball |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
) |
|
|
( |
|
|
|
) |
|
||||||||||||||||
I ball W |Q (V |
|
,V |
) | |
|
inj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
FS |
|
|
|
1/2 |
|
|
|
FD |
|
V . |
|||||||||||||||
|
2kT/q 1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
DLIN |
|
GS |
DS |
|
(FS ) |
|
|
|
|
|
|
FS |
FD |
|
|
|
|
|
|
|
|
DS |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Поскольку разница |
FS FD |
|
незначительная, |
|
то |
|
выражение |
|
в |
квадратных |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
скобках есть производная от интеграла Ферми – Дирака [4, 10], т. е. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( |
FS |
) ( |
FD |
) |
|
( |
FS |
) |
|
|
|
( |
|
|
) , |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
1/2 |
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
FS FD |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FS |
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
так что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vball |
|
|
|
|
( |
FS |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
I ball |
W |Q (V |
|
|
) | |
|
|
inj |
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
V |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(70) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
DLIN |
|
|
|
|
GS |
|
|
|
2kT/q 1/2 |
(FS ) |
|
DS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
что совпадает с (61).
В области насыщения напряжение на стоке велико, так что FD 0 и все интегралы с аргументом FD сводятся к экспонентам. Тогда вместо (69) имеем:
|
W |Q (V |
|
|
1 e FS qVDS /kT / ( |
FS |
) |
||||||
I ball |
,V |
) | vball |
|
|
1/2 |
|
|
. |
||||
1 e FS qVDS /kT / ( |
|
|
|
|||||||||
DSAT |
GS |
DS |
inj |
FS |
) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||
При больших значениях VDS |
дробь в квадратных скобках стремится к единице, |
|||||||||||
так что для баллистического тока насыщения имеем |
|
|
|
|
|
|||||||
|
I ball |
W |Q (V |
|
,V |
) | vball , |
|
|
|
|
|
||
|
DSAT |
|
GS |
DS |
inj |
|
|
|
|
|
||
что совпадает с (64).
181
Далее получим выражения для выходных характеристик, аналогичные (69), но для nanowire (NW) MOSFET [22]. В таких транзисторах 1D канал проводимости (проволока/NanoWire) окружен сплошным затвором (gate-all-aroung/GAA), что обеспечивает более надежное управление электростатикой, понижает DIBL и благоприятствует скейлингу. Предположим, что диаметр нанопроволоки достаточно мал настолько, что электроны движутся в 1D канале лишь с одной нижней занятой подзоной. Наша задача – получить выходную характеристику для 1D MOSFET и сравнить их с таковой для 2D (69).
Как и для 2D MOSFET, начинаем с уравнения (57), но вместо (60) для M (E) нам нужно распределение мод для 1D канала. Согласно (29), для 1D канала имеем [1 – 5]
M (E) M |
1D |
(E) h v (E) D |
(E) , |
||||||
|
|
4 |
x |
1D |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где плотность состояний [2, 4, 18] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D1D (E) gv |
2m* |
|
|
1 |
|
, |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
E EC |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
где EC есть дно нижней подзоны проводимости.
Усреднения по углам для 1D канала не требуется, так что
vx (E) v(E) .
Окончательно для распределения мод имеем:
|
0, |
(E E ) |
||
|
|
|
C |
|
M1D (E) |
g |
, |
(E E ) |
|
|
||||
v |
|
C |
||
|
|
|
|
|
(71)
(72)
т. е. распределение мод для 1D канала есть константа при E EC |
[2 – 4]. |
||||||||||||||||
Интегрируя (57) вместе с (72), получаем 1D аналог уравнения (66) для 2D |
|||||||||||||||||
канала, а именно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
q |
|
kT [ ( |
|
) ( |
|
|
)] . |
|
||||||
DS |
|
|
FS |
FD |
|
||||||||||||
|
|
|
h |
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теперь нам нужно ток стока выразить через электронный заряд. Для этого |
|||||||||||||||||
воспользуемся уравнением типа (39), но для 1D плотности состояний, а именно: |
|||||||||||||||||
n |
N1D |
[ |
|
( |
FS |
) |
( |
FD |
)], м 1 |
(73) |
|||||||
|
|
||||||||||||||||
L |
2 |
|
|
1/2 |
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
182 |
|
|
|
|
|
|
|
||
где эффективная 1D плотность состояний
N |
|
2m |
*kT |
. м 1 . |
(74) |
1D |
|
|
2 |
|
|
Из этих двух уравнений находим удельный электронный заряд как 1D аналог уравнения (68) для 2D канала:
Q qnL q N21D [ 1/2 (FS ) 1/2 (FD )]. [К/м]
Осталось выразить ток стока через электронный заряд. По аналогии с (69) для 2D канала, имеем:
|
I |
1D |
|Q (V ,V ) | v |
ball |
|
|
1 0 (FD ) / 0 (FS ) |
|
|
, |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
DS |
|
GS |
DS |
|
|
inj |
|
1 |
1/2 (FD ) / 1/2 (FS ) |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Q(V |
,V ) q |
N1D |
[ |
1/2 |
( |
|
|
) |
( )], |
|
|
|
|
|
|
(75) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
GS |
DS |
2 |
|
|
|
FS |
|
|
|
|
1/2 |
|
|
FD |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
0 (FS ) |
|
|
|
|
|
|
|
0 (FS ) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
vball v v |
|
|
|
|
|
2kT |
|
|
|
, |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
) |
|
|
) |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
inj |
x |
T |
|
|
|
|
( |
FS |
|
m * |
( |
FS |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
|
|
|
|
||||||
FD FS qVDS /kT.
Обратим внимание на то обстоятельство, что однонаправленная тепловая скорость (17) в невырожденном пределе не зависит от размерности канала проводимости: vx vT , а в вырожденных условиях vx vT .
Остается еще обсудить каким образом вычислить заряд Q(VGS ,VDS ) . Можно выписать выражения, аналогичные (108/гл. 3) для ETSOI MOSFET, или же если мы удовлетворены простым подходом выше порога, то заряд в единицах [К/м] можно взять из
Q 0, |
VGS VT |
|
|
|
|||
Q Cins (VGS VT ), |
VGS VT , |
||||||
Cins |
|
2ins |
|
|
, |
[Ф /м] |
|
|
2t |
t |
|
|
|||
|
ln |
ins |
|
wire |
|
|
|
|
|
twire |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где twire – диаметр нанопроволоки, а |
tins |
и |
|
ins – толщина и диэлектрическая |
|||
проницаемость затвора GAA.
Проведенные выше вычисления свидетельствуют о том, что вывод выражений для выходных характеристик NW MOSFET аналогичен с
183
получением уравнений для плоских MOSFET и окончательные выражения весьма схожи.
Итак, уравнение (69) описывает выходные характеристики баллистических MOSFET. Вспомним, что ток стока MOSFET всегда можно записать в виде произведения заряда на скорость
IDS |
W |Q(VGS |
,VDS ) | vx (VGS |
,VDS ) |
|
. |
(76) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
x 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приравнивая (76) с током стока (69), получим выражение для средней скорости электронов на вершине барьера
vx (VGS ,VDS ) x 0
vinjball
|
ball |
1 1/2 ( FD ) / 1/2 ( FS ) |
|
|||||||||||||||
vinj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||||
|
1 ( |
FD |
) / ( |
FS |
) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
|
(77) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 ( FS ) |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2kT |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||
m * |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
( |
FS |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Позже мы вернемся к этой скорости и объясним почему скорость насыщается при высоких напряжениях на стоке в баллистических MOSFET.
Интегралы Ферми – Дирака во всех этих выкладках создают видимость сложности полученных выражений и тем самым вуалируют фактическую простоту функционирования баллистических MOSFET. Рассмотрим, например, невырожденный случай, когда уравнения упрощаются. Для невырожденного полупроводника
EF EC ,
F (EF EC ) /kT 0,
а интегралы Ферми – Дирака любого порядка j сводятся к экспонентам:
j (F ) e F .
Таким образом, в невырожденном пределе уравнение (69) упрощается до
|
|
|
|
|
1 |
e |
qVDS /kT |
|
I W |Q (V ,V ) | v |
1 |
e |
|
|||||
DS |
|
|
GS DS |
T |
|
qVDS /kT |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
2kT |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
T |
m * |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
(78) |
Уравнение (78) допускает простую физическую интерпретацию в терминах термоионной эмиссии поверх барьера (рис. 10).
184
Рис. 10. Иллюстрация двух токов в баллистических MOSFET: ILR со стороны истока и IRL со стороны стока. Суммарный ток IDS ILR IRL . В транзисторе
хорошего качества электростатика MOS предполагает, что заряд на вершине барьера Q x 0 должен быть независим от отношения этих двух токов.
Суммарный ток IDS соответствует разности двух токов ILR и IRL . Простая трактовка термоионной эмиссии приводит к уравнению (20/гл. 1), идентичному уравнению (78). Выкладки, проведенные выше на основе подхода Ландауэра – Датта – Лундстрома, показывают как вычислять vT и допускают расширение на невырожденную статистику электронов, например, уравнение (78) по сравнению с (69). Ток стока насыщается когда IRL становится незначительным по сравнению с ILR . Это имеет место, когда VDS становится больше нескольких
в невырожденных условиях или при несколько бόльшем напряжении в случае статистики Ферми – Дирака (рис. 9).
Подведем итоги. Рассмотрена транспортная модель ЛДЛ, которая далее будет использоваться для построения теории MOSFET при низких и высоких напряжениях на стоке, в квазиравновесных и в далеких от равновесия условиях. Для достаточно длинных каналов проводимости результаты совпадут с привычными традиционными результатами, однако, мы также сможем достоверно построить физику нанотранзисторов, работающих в баллистическом или квазибаллистическом режимах.
Использовался подход ЛДЛ для расчета выходных характеристик баллистических MOSFET. Для этой цели применялось уравнение Ландауэра
185
(57) с ограничениями, которые накладывает электростатика MOS. В результате получена довольно простая модель баллистических MOSFET в виде уравнения (69). В случае невырожденной статистики эта модель упрощается до уравнения (78), аналогичного тому, которое уже получалось ранее в модели термоионной эмиссии.
Для MOSFET в подпороговом режиме можно пользоваться невырожденной статистикой и уравнением (78). В режиме выше порога зона проводимости на вершине барьера близка или даже лежит ниже уровня Ферми, так что нужно использовать уравнение (69). И тем не менее, стало обычной практикой в теории структур MOS предполагать невырожденную статистику Максвелла – Больцмана, поскольку использование ее просто упрощает расчеты и делает теорию более наглядной. Более того, на практике мы как правило не знаем значения некоторых параметров с нужной точностью, так что стало привычным пользоваться невырожденной статистикой с привлечением эмпирических параметров, чтобы вписаться в экспериментальные данные.
186
Литература
1.S. Datta, Lessons from Nanoelectronics: A New Perspective on Transport
(Singapore: World Scientific: 2012).
2.M. Lundstrom, С. Jeong, Near-equilibrium transport. Fundamentals and Applications (Singapore: World Scientific: 2013).
3.Ю. О. Кругляк, М. В. Стріха, Укр. Фіз. Журн. Огляди, 10, 3 – 32 (2015).
4.Ю. А. Кругляк, Наноэлектроника «снизу – вверх» (Одесса: ТЭС: 2015).
5.S. Datta, Lessons from Nanoelectronics. Part A: Basic Concepts
(Singapore: World Scientific: 2017).
6.M. Lundstrom, Fundamentals of Nanotransistors
(Singapore: World Scientific: 2018); www.nanohub.org/courses/NT.
7.R. F. Pierret, Advanced Semiconductor Fundamentals
(Upper Saddle River, N.J., USA: Prentice Hall: 2003).
8.R. Landauer, IBM J. Res. Dev., 1, № 3: 223 – 231 (1957).
9.Ю. А. Кругляк, Термоэлектричество, №6, 7 – 47 (2014).
10.R. Kim, M. Lundstrom, Notes on Fermi – Dirac Integrals, (West Lafayette, Indiana: Purdue University, USA); www.nanohub.org/resources/5475.
11.B. J. Van Wees, H. van Houten, C. W. J. Beenakker, J. G. Williamson, L. P. Kouwenhoven, D. van der Marel, C. T. Foxon,
Phys. Rev. Lett., 60, 848 – 850 (1988).
12.D. F. Holcomb, Am. J. Phys., 67, 278 – 297 (1999).
13.M. S. Shur, IEEE Electron Device Lett., 23, 511 – 513 (2002).
14.M. V. Fischetti, T. P. O`Regan, N. Sudarshan, C. Sachs, S. Jin, J. Kim, Y. Zhang, IEEE Trans. Electron Dev., 54: 2116 – 2136 (2007).
15.D. Frank, S. Laux, M. V. Fischetti,
Intern. Electron Dev. Mtg. (IEDM), Technical Digest, 553 – 556 (1992).
16.Z. Ren, R. Venugopal, S. Goasguen, S. Datta, M. Lundstrom,
IEEE Trans. Electron Dev., 50: 1914 – 1925 (2003).
17.Jesus A. del Alamo, Nature, 479: 317 – 323 (2011).
18.M. Lundstrom, Jung Guo, Nanoscale Transistors: Physics, Modeling, and Simulations (New York: Springer: 2006).
19.K. Natori, J. Appl. Phys., 76: 4879 – 4890 (1994).
20.A. Rahman, J. Guo, S. Datta, M. Lundstrom,
IEEE Trans. Electron Dev., 50: 1853 – 1864 (2003).
21.A. Majumdar, D. A. Antoniadis,
IEEE Trans. Electron Dev., 61: 351 – 358 (2014).
22.Y. Guerfi, G. Larrieu, Nanoscale Res. Lett., 11, 210 – 217 (2016).
187
188
Глава 6. Баллистическая скорость впрыскивания и объединение баллистической модели с моделью виртуального истока
6.1. Введение
Сначала введем понятие о баллистической скорости впрыскивания и изучим ее особенности, что далее позволит объединить баллистическую модель MOSFET с моделью виртуального истока.
6.2. Баллистическая скорость впрыскивания
Ток стока MOSFET есть произведение заряда на скорость в высшей точке барьера:
IDS |
W |Q(VGS |
,VDS ) |
|
|
| vx (VGS |
,VDS ) |
|
. |
(1) |
||
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
x 0 |
|
|
|
|
x 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из сравнения (1) с уравнением для баллистического тока стока (69/гл. 5) было получено выражение для средней скорости электронов на вершине барьера
(77/гл. 5):
|
|
|
|
|
1 |
( |
FD |
) / ( |
FS |
) |
|
|||||
v |
(V ,V |
) |
|
v |
1/2 |
|
1/2 |
|
|
, |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
x |
GS DS |
|
x 0 |
x |
|
1 0 |
(FD ) / 0(FS ) |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/2 ( FS ) . |
|
|
|
|||
|
v vball |
|
2kT |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
x |
inj |
|
m * |
0 (FS ) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Уравнение (2) справедливо для 2D электронов в канале проводимости плоского MOSFET, тогда как для 1D электронов в канале проводимости NW MOSFET уравнение для скорости иное, а именно (75/гл. 5).
Средняя скорость на вершине барьера vx (VGS ,VDS ) x 0 , иначе скорость
впрыскивания, зависит как от напряжения на затворе, так и от напряжения на стоке. Важно понять причину насыщения скорости при высоком напряжении на стоке в баллистических MOSFET и каким образом вычислить предельное значение скорости. Как показывают модельные расчеты баллистических MOSFET (рис. 9/гл.5), вычисленные вольт-амперные характеристики свидетельствуют о насыщении скорости – ток насыщения изменяется приблизительно линейно с величиной VGS VT , однако, совершенно ясно, что причиной такого насыщения в баллистических MOSFET не может быть рассеяние, которое ограничивает скорость vsat , как это подробно обсуждалось ранее в главе 2. Мы убедимся, что скорость действительно насыщается в баллистических MOSFET, однако, по причинам совершенно отличным от тех,
189