При уменьшении длины канала МОП-транзистора до субмикронных и нанометровых размеров классические представления о распределении потенциала и носителей заряда теряют свою применимость. В таких структурах электрическое поле, создаваемое на стоке, начинает оказывать значительное влияние на область канала, что приводит к модификации характеристик прибора. Основной причиной возникновения эффектов короткого канала является то, что ширина канала становится сравнимой с характерными длинами распространения электрического поля и области пространственного заряда.
При длинном канале управление током осуществляется в первую очередь напряжением затвор–исток, а электрическое поле со стороны стока практически не проникает к истоку. В короткоканальных транзисторах распределение потенциала вдоль канала существенно искажается, а контроль затвора ослабляется, что приводит к ряду паразитных эффектов.
Одним из ключевых проявлений является снижение порогового напряжения по мере уменьшения длины канала. Это связано с тем, что заряд пространственного слоя в области стока и истока частично перекрывает канал, уменьшая требуемый заряд в подзатворной области. В результате напряжение, необходимое для инверсии поверхности, оказывается меньше расчетного для длинноканального случая.
Ключевой момент: пороговое напряжение перестает быть фиксированным параметром и зависит от длины канала, что усложняет проектирование и приводит к неустойчивости характеристик при масштабировании.
При сильном электрическом поле, создаваемом напряжением сток–исток, вблизи стока наблюдается локальное истощение канала. Процесс сопровождается вытягиванием границы обеднённой области в сторону истока, что уменьшает эффективную длину канала. Этот эффект называется channel length modulation (модуляция длины канала).
Вследствие этого при увеличении напряжения на стоке ток стока не выходит на насыщение строго горизонтально, а продолжает возрастать. Таким образом, выходные характеристики теряют идеальную плоскую форму и приобретают наклон, что выражается в снижении выходного сопротивления транзистора.
При высоком напряжении на стоке электрическое поле вблизи дренажного p-n-перехода достигает критических значений, вызывая ударную ионизацию носителей. Образующиеся дополнительные электроны и дырки увеличивают ток стока и могут приводить к паразитным явлениям, таким как latch-up и образование паразитного тока в подложке. В крайнем случае возникает лавинный пробой, что приводит к разрушению структуры.
Эффект понижения барьера под действием стока (DIBL) является характерным для короткоканальных структур. В длинноканальном транзисторе барьер на границе исток–канал контролируется исключительно напряжением затвора. Однако в коротком канале электрическое поле со стороны стока снижает высоту этого барьера, облегчая инжекцию носителей даже при напряжении затвора ниже порогового.
Это приводит к следующим последствиям:
DIBL становится особенно критичным в нанометровых технологиях, где контроль затвора сильно ослаблен.
При длине канала порядка длины свободного пробега носителей (несколько десятков нанометров) традиционные модели дрейф-диффузионного транспорта теряют применимость. Носители могут двигаться через канал без значительных столкновений с решеткой, и транспорт приобретает баллистический характер.
В этом режиме:
Высокое электрическое поле в коротком канале приводит к ускорению носителей до энергий, достаточных для возбуждения колебаний решётки или даже генерации электрон-дырочных пар при столкновениях. Такие носители называются горячими. Они способны:
Накопление повреждений вследствие горячих носителей ограничивает долговечность транзисторов и является одной из основных проблем надежности современных КМОП-технологий.
При дальнейшем уменьшении толщины подзатворного диэлектрика и канала становятся заметны квантовые эффекты:
Для снижения паразитных эффектов в практической технологии применяются специальные приемы: