УДК 621.3.049.77
КОНОПЛЕВ Б.Г., РЫНДИН Е.А.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ТОКАМИ, ОГРАНИЧЕННЫМИ
ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ЗАРЯДОМ
Таганрогский государственный радиотехнический университет, 347928, Таганрог, ГСП-17а,
пер.Некрасовский,44, тел.: (86344) 61767, e-mail: fep@tsure.ru
Полевые транзисторы с управляющими переходами Шоттки (ПТШ) имеют
ряд преимуществ по сравнению с биполярными и МДП-транзисторами, связанных, в
основном с возможностью использования более коротких каналов и обеспечения
более высокого быстродействия.
Одно из основных ограничений минимальной длины канала ПТШ связано с
эффектом модуляции длины канала, приводящим к тому, что ВАХ носят триодный
характер.
С целью устранения модуляции канала разработаны конструкции нормально
закрытых ПТШ с вертикальными каналами n- и р-типов, в которых канал
представляет собой область пространственного заряда для всего диапазона рабочих
напряжений на внешних выводах транзистора. Управление током стока Id
осуществляется посредством изменения высоты потенциального барьера исток-
канал, возникающего вследствие различной степени легирования областей истока и
канала. Высота потенциального барьера определяется напряжением затвор-исток Ug
и слабо зависит от напряжения сток-исток Ud благодаря малой толщине канала у
истока и двухсекционному затвору Шоттки. Вертикальная ориентация позволяет
сократить длину канала до десятков нанометров. Пентодный характер ВАХ является
следствием насыщения скорости дрейфа носителей при высоких значениях
напряженности поля, соответствующих длине канала менее 100 нм. Для
обеспечения равномерного распределения напряженности поля в канале и
устранения эффекта лавинной ионизации потенциальный барьер имеет форму,
близкую к треугольной, за счет линейного увеличения толщины канала в
направлении от истока к стоку. Иными словами, сечение канала имеет форму
равнобедренной трапеции, в которой боковые стороны представляют собой границы

затвор-канал, а малое и большое основания - границы раздела канала и
высоколегированных областей истока и стока, соответственно. На рис. 1 - 4
приведены выходные характеристики обедненного ПТШ с токами, ограниченными
пространственным зарядом (ТОПЗ) на основе карбида кремния (4Н) с каналом n-
типа для значений длины канала L = 30 нм (см. рис. 1), 40 нм (см. рис. 2), 100 нм
(см. рис. 3), 250 нм (см. рис. 4), полученные на основе разработанной физико-
топологической модели, учитывающей зависимость подвижности носителей от
напряженности поля и концентрации легирующей примеси, баллистический пролет
носителей в канале и туннельный эффект.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Результаты моделирования подтверждают, что при длинах канала
30 - 100 нм ВАХ носят пентодный характер (см. рис. 1-3), а с увеличением длины
канала становятся близкими к линейным (см. рис. 4). Резкое возрастание тока стока
при L = 30 нм (см. рис. 1) обусловлено туннельным эффектом, ограничивающим
минимальную длину канала.
На рис. 5 приведена зависимость задержки переключения интегрального
логического элемента (ЛЭ) на основе комплементарных ПТШ с ТОПЗ от
температуры при напряжении питания Uпит = 0,2 В. Возрастание задержки
переключения связано с температурной зависимостью подвижности носителей. Для
повышения быстродействия и расширения температурного диапазона интегральных

элементов на основе ПТШ с ТОПЗ разработан метод термозависимого питания,
состоящий в том, что в процессе фунционирования СБИС напряжение питания
изменяется пропорционально температурному изменению высоты потенциального
барьера исток-канал (рис. 6). Данный метод позволяет в 5 - 40 раз сократить
задержки переключения ЛЭ в широком диапазоне рабочих температур (рис. 7).
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
На рис. 8 приведена зависимость задержки ЛЭ от длины канала. Зависимость
имеет минимум при L ≈ 80 нм, что объясняется увеличением емкостей затвор-сток
при сокращении длины канала вследствие трапециевидного сечения канала. При
этом энергия переключения ЛЭ составляет 10-15 - 10-17 Дж в зависимости от
напряжения питания и концентрации примесей в областях каналов.
Таким образом, пентодный характер ВАХ, высокая крутизна транзисторов,
малые значения задержек и энергии переключения ЛЭ позволяют проектировать
сверхбыстродействующие СБИС на основе полевых транзисторов с управляющими
переходами Шоттки и ТОПЗ.
Работа
частично
поддержана
грантом
Минобразования
РФ
001-15.01.01.