Physics of Nanotransistors: a 2D Electrostatics of Metal–Oxide–Semiconductor and Model of the Virtual Source

Abstract

Подробно рассмотрена электростатика MOS. 1D-электростатика изгибает зоны, понижает барьер и позволяет потоку электронов двигаться от истока к стоку. 2D-электростатика деградирует транспорт электронов в полевых транзисторах, увеличивая подпороговый разброс и вызывая DIBL, который в свою очередь увеличивает выходную проводимость и уменьшает пороговое напряжение в короткоканальных транзисторах. Количественный учёт 2D-электростатики требует численного подхода; вместе с тем, все существенные эффекты физически понятны. 2D-электростатика разрушает функционирование транзисторов и приводит к: 1) подпороговому разбросу, большему, чем фундаментальный предел в 60 мВ/декада; 2) сдвигу проходных характеристик log 10 I DS  V GS влево при увеличении напряжения на стоке (DIBL); 3) возникновению порога в зависимости от параметров затвора и напряжения на стоке; 4) низкому выходному сопротивлению. Когда эффекты 2D-электростатики сильны, затвор теряет контроль над током, и транзистор претерпевает пробой. Поскольку эти эффекты проявляются сильнее в короткоканальных транзисторах, их ещё называют эффектами короткого канала. По мере того как транзисторы становятся всё меньше и меньше, основной вызов, с которым встречаются схемотехники, сводится к контролю короткоканальных эффектов. Как правило, требуется численное моделирование. Возвращаясь к уравнению для тока, видим, что зависимость заряда от напряжений в локации виртуального истока имеет вполне приемлемое физическое объяснение. Что же касается скорости в этом уравнении, то далее построена адекватная физическая картина транспортных явлений в нанотранзисторах, исходя из обобщённой модели транспорта электронов ЛДЛ, и установлена связь её с традиционным подходом «сверху-вниз». Докладно розглянуто електростатику MOS. 1D-електростатика вигинає зони, понижує бар'єр і уможливлює потоку електронів рухатися від витоку до стоку. 2D-електростатика деґрадує транспорт електронів у польових транзисторах, збільшуючи підпороговий розкид і викликаючи DIBL,