Приборы крутого нарастания

Рисунок 1.6 показывает, что подпороговый размах 65мВ/дек реализуется в 22-нм и 14-нм поколениях технологии с использованием трехмерной FinFET конструкции МОПТ вместо планарной структуры МОПТ. Возникает вопрос: можно ли еще снизить S с помощью технологии МОПТ?

МОП-транзистор основан на механизме диффузионно-дрейфового переноса. N-МОП-транзистор вместе с принципом его работы показан на рисунке 1.7. Поскольку канал легирован другим типом примеси, чем исток/сток, в выключенном состоянии существует высокий барьер для электронов в истоке, который и определяет ток проводимости. Увеличением напряжения затвора высота барьера снижается, достигается режим слабой инверсии и поверхностная концентрация электронов растет. На стороне стока транзистора потенциальный барьер выше из-за обратного смещения сток-канал. Согласно статистике Больцмана, плотность электронов вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, что создает диффузионный ток электронов. С ростом напряжения затвора диффузионный ток от истока к стоку увеличивается. Дальнейшее увеличение напряжения затвора приводит к надпороговым операциям, где доминирует дрейф электронов.

Физической величиной, соответствующей высоте барьера, является поверхностный потенциал. В подпороговом режиме работы не происходит экранирования каналом электрического поля затвора, и потенциал поверхности  определяется простой емкостной моделью с емкостью оксида затвора C_ox и емкостью обеднения C_dep  (рис. 1.7):

                                                    (1.8)

Плотность заряда со стороны истока определяется статистикой Больцмана:

                                               (1.9)

Пренебрегая зарядом на стороне стока, диффузионный подпороговый ток равен:

                                                       (1.10)

Подпороговый размах (S) определяется как напряжение затвора, необходимое для изменения тока транзистора на порядок величины, и может быть записан как

                 (1.11)

                                                   (1.12)

где  - поверхностный потенциал, C_ox - емкость подзатворного диэлектрика, C_dep - состоит из емкости на подложку, емкости канал-исток, емкости канал- сток (емкость ОПЗ).

В технологиях МОПТ обе емкости C_ox и C_dep являются положительными величинами, поэтому минимальный S = 60мВ/дек, когда C_dep близко к нулю, а .

Из уравнения (1.11) видно, что величина S определяется произведением двух сомножителей. Первый член, m , называют «коэффициентом подложки» МОПТ. Второй член, который представляет собой изменение поверхностного потенциала как функция тока стока, имеет для МОПТ фундаментальное значение 60 мВ/дек при комнатной температуре, вследствие физического ограничения из-за (а) механизма диффузии заряда в уравнении (1.10) и (б) статистики Больцмана в уравнении (1.9) («тирания Больцмана»).

Коэффициент подложки  можно трактовать как отношение напряжения питания V_g к внутреннему напряжению узла (поверхностному потенциалу ), которое в обычном случае всегда больше 1, то есть поверхностный потенциал всегда меньше напряжения питания. Даже high-κ-изоляторы с феноменально большими значениями C_ox могут только уменьшить коэффициент тела m, чтобы приблизиться к единице, но не могут сделать его меньше. Поэтому подпороговый размах и имеет предел 60 мВ/дек при комнатной температуре (при m =1).

Из проведенного рассмотрения можно заключить, что уменьшения S можно добиться двумя способами. Первый способ состоит в изменении второго сомножителя ∂ψ_s/(logI) в уравнении (1.11) путем использования другого принципа работы транзистора, такого, например, как туннелирование зона-зона или ударная ионизация, так что электронный транспорт уже не является чисто термоэлектронным. Второй способ заключается в уменьшении первого сомножителя, m. Этого можно добиться, если бы можно было представить изолятор с отрицательной емкостью . Тогда m могло бы быть меньше 1, что приводит к снижению подпорогового размаха ниже 60 мВ/дек. Вотличие от первого способа, транспорт во втором подходе остается основан исключительно на термоэлектронной эмиссии.

Рис. 2.1 Трехмерный (3D) вид TFET