МОПТ с коротким и узким каналами

Идеальный МОПТ должен обеспечивать полный контроль заряда в канале зарядом на затворе. В значительной степени это определяется геометрической конфигурацией транзистора. В идеальной конфигурации должны быть выполнены следующие требования:

- каждый заряд на затворе индуцирует заряд в окисле;

- заряды в истоке и стоке не должны влиять на заряд в окисле.

Этому в реальном транзисторе мешают следующие факторы:

- разница работ выхода из металла затвора и полупроводника подложки, и заряд поверхностных состояний на границе Si-SiO₂;

- часть силовых линий от затвора уходит в сторону и индуцирует дополнительный заряд на краях. Возникает также паразитная электростатическая связь между затвором и стоком, каналом и стоком.

Особенно существенны такие эффекты в короткоканальных транзисторах. Это часто называют «геометрическим фактором».

По мере уменьшения длины канала МОПТ свойства последнего начинают резко отличаться от свойств обычных длинноканальных приборов. Эти отклонения – так называемые короткоканальные эффекты – обусловлены существенно двумерным характером распределения электрических полей в активной области и сравнительно высокими абсолютными значениями напряженности полей.

На рис.4.16 показано схематическое сечение МОПТ, в котором ток течет между истоком (И) и стоком (С) в канале, направленном по оси y.

Рисунок 4.16– Сечение МОПТ

Для анализа работы узкоканального транзистора, как правило, используют приближение плавного канала, которое состоит в том, что в каждой точке канала можно записать уравнение электронейтральности для канальных значений поверхностных концентраций канала под затвором, поверхностных (инверсных) и обедненных слоев.

Это приближение справедливо, когда величина электрического поля по направлению оси x: Е_х>>Е_у.

Отметим, что потенциал затвора не зависит от напряжения на стоке, как канальный потенциал канала U_к, и, соответственно, поверхностная плотность заряда отдельного слоя возрастает по мере увеличения y.

Uзи=φмп+ φF + Uk(y) + [ns(y) + NaNd(2φF + Uk(y))] = const(y)

(4.49)

Это означает, что плотность носителей в канале n_s(y)уменьшается по мере приближения к стоку.

Если при неизменной концентрации легирующей примеси в подложке сокращать длину канала прибора, в конце концов она станет величиной порядка толщины обедненных слоев р–n-переходов стока и истока. При этом распределение потенциала в канале будет равным образом определяться поперечным полем Е_х, обусловленным напряжениями на затворе и подложке, и продольным полем Е_у, инициированным напряжением смещения стока транзистора. Иными словами, распределение потенциала в таком короткоканальном приборе имеет двумерный характер, и для его описания уже нельзя использовать приближение плавного канала, которое предполагает, что Е_х>>Е_у. Двумерный характер распределения потенциала существенно изменяет подпороговый участок характеристики прибора, обуславливает нежелательную зависимость порогового напряжения от длины канала и напряжений смещения на электродах, уменьшает выходное сопротивление, препятствуя отсечке канала.

При повышенных значениях электрических полей, характерных для короткоканальных приборов, становится важной полевая зависимость подвижности, которая в конечном итоге приводит к насыщению дрейфовой скорости. При еще больших полях в окрестности стокового перехода начинается ударная ионизация, становится существенной дополнительная проводимость по подложке и происходит так называемое включение паразитного биполярного транзистора. Высокие электрические поля приводят также к разогреву носителей и соответствующей инжекции горячих носителей в окисел. Такая зарядка окисла обуславливает сдвиг порога, дрейф характеристик и ухудшение крутизны прибора.

Все перечисленные короткоканальные эффекты усложняют работу прибора и ухудшают его рабочие характеристики. Следовательно, в практике конструирования следует стремиться к устранению или минимизации этих эффектов, чтобы «физически» короткоканальный прибор был электрически подобен длинноканальному, таким образом, эффекты короткого канала обусловлены двумя основными причинами:

близостью ОПЗ сток-подложка и исток-подложка (геометрический эффект короткого канала)

умножением носителей в ОПЗ сток-подложка и зарядом окисла (эффект горячих электронов)

Одним из путей борьбы с короткоканальными эффектами является переход от планарных структур к объемным, что позволяет максимально окружить активную область кремния затворами непланарной конфигурации (П-образные, Ω-образные затворы и т.п.).