Полевой транзистор с ударной ионизацией ( Impact Ionization MOS ( I - MOS ))

Рис.3.1

Помимо межзонного туннелирования, ударная ионизация еще один механизм проводимости, который может обеспечить резкий переход из выключенного состояния во включенное состояние. Лавинный пробой p-n-переходов из-за воздействия положительной обратной связи, вызванной ударной ионизацией, приводит к резкому увеличению тока в пределах узкого диапазона приложенного напряжения, близкого к напряжению пробоя. Если явлением пробоя можно как-то управлять с помощью электрода затвора, можно получить резкие переходы между включенным и выключенным состояниями в полевых транзисторах.

MOSFET с ударной ионизацией (I-MOS), как и ТFET, также является обратно смещенным p-i-n-диодом с управляемой затвором внутренней областью. Структура p-i-n используется вместо p-n-структуры для уменьшения электрического поля, необходимого для лавинного пробоя по сравнению с p-n переходом. Это объясняется тем, что носители должны успеть набрать энергию ионизации при прохождении через ОПЗ диода, что достигается в толстых переходах при меньшем поле пробоя.

Как показано на рис. 3.1, электрод затвора не перекрывает всю внутреннюю область в I-MOS. В n-канальном I-MOS часть внутренней области, близкой к границе раздела исток-канал, намеренно не покрыта электродом затвора. В результате внутренняя область делится на две отдельные области: область канала, управляемая затвором, и неуправляемая внутренняя область.

В выключенном состоянии при низком напряжении затвора V_G под затвором нет инверсионного слоя, и эффективная длина канала – это вся внутренняя область между стоком и истоком . Электрическое поле в этих условиях ниже поля пробоя, так как только часть напряжения сток-исток приложена к i-области вне затвора. Вследствие этого ток утечки ограничивается обратным током p-i-n диода. При этом коэффициент лавинного умножения близок к единице, а ток, текущий от истока к стоку, – это ток утечки. Прибор находится в выключенном состоянии.

По мере увеличения V_G под затвором формируется инверсный слой, и это уменьшает эффективную длину канала прибора. С ростом V_G увеличивается доля падения напряжения на i-области вне затвора и, следовательно, увеличивается продольное электрическое поле в этой области, а в результате также увеличивается и скорость ионизации. Никаких существенных изменений тока не будет наблюдаться до тех пор, пока коэффициент умножения ни достигнет значительной величины. Когда при определенном напряжении затвора коэффициент лавинного умножения приближается к бесконечности, инициируются изменения величины тока на несколько порядков.

Таким образом, усилительное свойство лавинного пробоя вместо диффузии носителей объясняется тем, что генерируемые электронно-дырочные пары могут быть снова ускорены, чтобы вызвать новые электронно-дырочные пары. Лавинное умножение - это процесс положительной обратной связи. Это приводит к крутому подпороговому размаху. Было экспериментально продемонстрировано значения подпорогового размаха ниже 5мВ/дек и от состояния ВКЛ до состояния ВЫКЛ соотношение токов выше 5 порядков в приборах I-MOS, как показано на рис. 3.2.

При рассмотрении механизма работы I-MOS, может возникнуть мысль, что масштабирование длины не покрытой затвором внутренней области может снизить напряжение, необходимое для ударной ионизации, так как электрическое поле увеличивается с масштабированием. Однако, для того чтобы ионизация создавала положительную обратную связь, сгенерированные носители должны перемещаться на соответствующее расстояние, чтобы набрать достаточную кинетическую энергию для генерации другой пары электрон-дырка. Масштабирование длины неуправляемой области препятствует генерируемым ударной ионизацией носителям достигать уровня кинетической энергии, требуемой для поддержания положительной обратной связи. Следовательно, длина неуправляемой области должна быть выбрана соответствующим образом.

Поскольку I-MOS работает по принципу пробоя, вызванного лавинным умножением, требуется большое напряжение стока, превышающее ширину запрещенной зоны материала (E_g/q), что делает I-MOS непригодным для маломощных приложений. Более того, пробой в I-MOS происходит при большем напряжении по сравнению с обычным p-i-n диодом того же размера. В то время как в I-MOS ток протекает через поверхностный слой инверсии, в p-i-n диоде он течет через объем. Увеличение напряжения пробоя объясняется меньшим коэффициентом ионизации на поверхности по сравнению с объемом.

Были предложены несколько структур прибора для снижения напряжения пробоя
I-MOS. Хотя эти структуры снижают напряжение пробоя на ~ 1-2В, рабочее напряжение все еще очень высокое, что делает эти структуры непригодными для логических приложений.

Процесс ударной ионизации требует очень высокого рабочего напряжения (свыше 5В), приводящего к большому продольному электрическому полю. В результате наблюдаются эффекты нагрева носителей и генерация горячих электронов. Вертикальное электрическое поле затвора помогает движению этих высокоэнергичных горячих электронов в оксид затвора на стороне истока. В то время как эффекты горячих электронов заметны на стороне стока в обычных МОП-транзисторах, в I-MOS горячие электроны генерируются вблизи стороны истока и могут проникать в оксид затвора вблизи стороны истока при протекании в сток. Это сильно снижает надежность I-MOS. В результате с каждым измерением (стрессом) характеристик прибора, качество оксида становится хуже, что приводит к сдвигу порогового напряжения и ухудшению подпорогового размаха.