7.5.4. Особенности мдп-транзисторов с коротким каналом

Предыдущее рассмотрение относилось к МДП-транзисторам с длинным каналом, для которых выполняется условие L >> (L_и + L_c), где L – длина канала; L_и и L_c – толщина обедненных слоев р-n-переходов у истока и стока. Канал называется коротким, если L и (L_и + L_c) сравнимы. Обычно для коротких каналов L < 2...3мкм. Рас­чет процессов в МДП-транзисторе с короткими каналами очень сложен. Мы приведем лишь основные результаты расчетов и экс­периментов [17].

При коротком канале необходимо учитывать эффект близости обедненных слоев обоих переходов. Поле стокового обедненного слоя понижает потенциальный барьер истокового перехода (поле, создаваемое напряжением стока, понижает барьер у перехода исто­ка) и вызывает так называемый предпороговый ток. Это уменьше­ние барьера называют снижением барьера, индуцированным (вы­званным) стоком. При увеличении напряжения на стоке силовые ли­нии его поля будут проникать в область истока и приводить к даль­нейшему снижению барьера.

На рис. 7.16 показано распределение поверхностного потенциа­ла в области между истоком и стоком при различных длинах канала и постоянном напряжении на затворе. В случае длинного канала (криваяА) максимум распределения поверхностного потенциала Достигается почти по всей длине канала, где этот потенциал имеет постоянное значение. Ток через канал определяется в основном инжекцией (эмиссией) через по­тенциальный барьер вблизи исто­ка. При уменьшении длины канала (кривая В) максимум распределе­ния снижается и сохраняется по­стоянным только на небольшом Участке канала. Так как макси­мальное значение потенциала уменьшается, то ток возрастает. Если напряжение стока увеличива­ется (кривая С), то происходит дальнейшее снижение максимума и уменьшение области постоянного потенциала.

Понижение потенциального барьера означает, что инжекция электронов из истока и образование канала будут происходить при меньшем напряжении на затворе, т.е. в МДП-транзисторах с корот­ким каналом должно быть меньше пороговое напряжение. Значение порогового напряжения уменьшается в таких транзисторах с ростом напряжения на стоке U_си. Эта зависимость тем сильнее, чем мень­ше длина канала.

В МДП-транзисторе с коротким каналом из-за роста напряженно­сти поля в канале приходится также учитывать эффект сильного по­ля. Он заключается в том, что с ростом напряжения U_си и продоль­ной составляющей напряженности поля Е_у подвижность носителей уменьшается и дрейфовая скорость, увеличиваясь, стремится к по­стоянной величине – скорости насыщения V_нас (см. § 18.1). Это дол­жно приводить к замедлению роста тока при увеличении напряже­ния. Эта причина объясняет и уменьшение напряжения насыщения. Наклон реальной выходной характеристики в режиме насыщения определяется действием противоположных факторов: с одной сто­роны, эффектом уменьшения длины канала и снижением порогово­го напряжения с ростом напряжения сток-исток, с другой – сниже­нием подвижности электронов и насыщением дрейфовой скорости. На рис. 7.17,а для сравнения приведены стоковые характеристики транзисторов с длинным и коротким каналами. Крутой рост кривой при большом напряжении в транзисторе с длинным каналом соот­ветствует лавинному пробою стокового р-n-перехода. Менее крутой рост при коротком канале объясняется смыканием обедненных сло­ев обоих р-n-переходов (смыкание происходит при меньших напря­жениях, чем напряжение лавинного пробоя).

На рис. 7.17,б показаны стокозатворные характеристики для МДП-транзистора с длинным и коротким каналами. Первое отличие семейства ВАХ МДП-транзистора с коротким каналом состоит в том, что в нем, как уже отмечалось, пороговое напряжение зависит от напряжения U_си.

Второе отличие состоит в том, что ток стока и крутиз­на оказываются большими из-за уменьшения длины канала. Третье отличие – с ростом напряжения на затворе U_зи характеристики из квадратичных стремятся стать линейными из-за влияния эффекта сильного поля.

Следует отметить еще одну важную особенность МДП-транзисторов с коротким каналом. В сильном электрическом поле, сущест­вующем в канале у стока, электроны на длине свободного пробега могут приобретать энергию, значительно превышающую среднюю энергию теплового движения. Такие электроны называют горячими. Некоторые из них имеют энергию, достаточную для преодоления по­тенциального барьера на границе кремний – диэлектрик (окисел). Эти электроны могут проникать (инжектироваться) в окисел и захва­тываться существующими там ловушками, изменяя заряд в окисле. В результате возрастает и становится нестабильным пороговое на­пряжение. Нестабильность порогового напряжения увеличивается с ростом концентрации ловушек в окисле. Для уменьшения неста­бильности применяется ряд технологических мер.