Модуляция длины канала

Сечение МОП-транзистора, работающего в области насыщения

Модуляция длины канала ( CLM ) — это эффект в полевых транзисторах , заключающийся в укорочении длины области инвертированного канала с увеличением смещения стока для больших смещений стока. Результатом CLM является увеличение тока при смещении стока и уменьшение выходного сопротивления. Это один из нескольких эффектов короткого канала в масштабировании MOSFET . Это также вызывает искажения в усилителях JFET .

Чтобы понять эффект, сначала вводится понятие отсечения канала. Канал формируется за счет притяжения носителей к затвору, и ток, проходящий через канал, практически не зависит от напряжения стока в режиме насыщения. Однако вблизи стока затвор и сток совместно определяют картину электрического поля. Вместо того, чтобы течь по каналу, за пределами точки отсечки носители текут по подповерхностной схеме, что становится возможным благодаря тому, что сток и затвор контролируют ток. На рисунке справа канал обозначен пунктирной линией и становится слабее по мере приближения к стоку, оставляя зазор из неинвертированного кремния между концом сформированного инверсионного слоя и стоком ( область отсечения ).

По мере увеличения напряжения стока его контроль над током распространяется дальше по направлению к истоку, поэтому неинвертированная область расширяется по направлению к истоку, сокращая длину области канала. Этот эффект называется модуляцией длины канала . Поскольку сопротивление пропорционально длине, укорачивание канала уменьшает его сопротивление, вызывая увеличение тока с увеличением смещения стока для МОП-транзистора, работающего в режиме насыщения. Эффект тем более выражен, чем короче расстояние между истоком и стоком, чем глубже дренажный переход и чем толще оксидный изолятор.

В области слабой инверсии влияние стока, аналогичное модуляции длины канала, приводит к ухудшению поведения при выключении устройства, известному как снижение барьера, вызванное стоком , - снижение порогового напряжения, вызванное стоком.

В биполярных устройствах аналогичное увеличение тока наблюдается при увеличении напряжения коллектора из-за сужения базы, известного как эффект Раннего . Сходство воздействия на ток привело к использованию термина «ранний эффект» для МОП-транзисторов в качестве альтернативного названия для «модуляции длины канала».

Модель Шичмана – Ходжеса

В учебниках модуляция длины канала в активном режиме обычно описывается с помощью модели Шичмана-Ходжеса, точной только для старой технологии: где $I_{\text{D}}$ = ток стока, $K'_{n}$ =технологический параметр, иногда называемый коэффициентом крутизны, W, L = ширина и длина МОП-транзистора, $V_{\text{GS}}$ = напряжение затвор-исток, $V_{\text{th}}$ = пороговое напряжение , $V_{\text{DS}}$ = напряжение сток-исток, $V_{\text{DS,sat}}=V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}$, и λ = модуляции длины канала параметр .В классической модели Шичмана–Ходжеса $V_{\text{th}}$ — константа устройства, которая отражает реальность транзисторов с длинными каналами.

Выходное сопротивление

Модуляция длины канала важна, поскольку она определяет выходное сопротивление МОП-транзистора — важный параметр при проектировании схем токовых зеркал и усилителей .

В модели Шичмана-Ходжеса, использованной выше, выходное сопротивление определяется как:

$${\begin{aligned}r_{\text{O}}&={\frac {1+\lambda V_{\text{DS}}}{\lambda I_{\text{D}}}}\\&={\frac {1}{I_{\text{D}}}}\left({\frac {1}{\lambda }}+V_{\text{DS}}\right)\\&={\frac {V_{\text{E}}L/{\Delta L}+V_{\text{DS}}}{I_{\text{D}}}}\end{aligned}}$$

где $V_{\text{DS}}$ = напряжение сток-исток, $I_{\text{D}}$ = ток стока и $\lambda$ = параметр модуляции длины канала. Без модуляции длины канала (при λ = 0) выходное сопротивление бесконечно. Параметр модуляции длины канала обычно считается обратно пропорциональным длине канала MOSFET L , как показано в последней форме выше для r _O :

$\lambda \approx {\frac {\Delta L}{V_{E}L}}$,

где V _E — подгоночный параметр, хотя по своей концепции он аналогичен раннему напряжению для BJT. Для процесса 65 нм примерно V _E ≈ 4 В/мкм. (В модели EKV используется более сложный подход. ). Однако на сегодняшний день ни одна простая формула, используемая для λ, не обеспечивает точную зависимость r _O от длины или напряжения для современных устройств, что вынуждает использовать компьютерные модели, как кратко обсуждается ниже.

Влияние модуляции длины канала на выходное сопротивление МОП-транзистора зависит как от устройства, особенно от длины его канала, так и от приложенного смещения. Основным фактором, влияющим на выходное сопротивление более длинных МОП-транзисторов, является модуляция длины канала, как только что описано. В более коротких МОП-транзисторах возникают дополнительные факторы, такие как: снижение барьера, индуцированное стоком (что снижает пороговое напряжение, увеличивает ток и уменьшает выходное сопротивление), насыщение скорости (которое имеет тенденцию ограничивать увеличение тока канала с напряжением стока, тем самым увеличивая выходное сопротивление) и баллистический транспорт (который изменяет сбор тока стоком и изменяет вызванное стоком снижение барьера , чтобы увеличить подачу носителей в область отсечки, увеличивая ток и уменьшая выходное сопротивление). Опять же, для получения точных результатов необходимы компьютерные модели .

См. также

• Пороговое напряжение
• Эффект короткого канала
• Снижение барьера, вызванное дренажом
• Работа МОП-транзистора
• Гибридно-пи-модель
• Транзисторные модели

Внешние ссылки

• Что такое модуляция длины канала? - OnMyPhD
• Модуляция длины канала MOSFET – техническое описание