Модуляция длины канала

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора, работающего в области

Модуляция длины канала (англ. Channel length modulation, CLM) — эффект полевых транзисторов, при котором происходит сокращение длины области инвертированного канала с увеличением смещения стока для больших смещений стока.

Общая информация

Результатом МДК является увеличение тока со смещением стока и уменьшение выходного сопротивления. Это один из нескольких эффектов короткого канала в масштабировании МОП-транзистора. Это также вызывает искажения в усилителях JFET .

Чтобы понять эффект, сначала вводится понятие отсечения отсечения канала. Канал формируется за счет притяжения носителей к затвору, и ток, протекающий через канал, почти не зависит от напряжения стока в режиме насыщения. Однако, рядом со стоком затвор и сток совместо определяют диаграмму электрического поля. Вместо того, чтобы течь по каналу, за точкой отсечки носители текут по подповерхностной структуре, что стало возможным, потому что сток и затвор управляют током. 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 отсечки).

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, это и есть эффект, называемый модуляцией длины канала. Поскольку сопротивление пропорционально длине, укорочение канала снижает его сопротивление, вызывая увеличение тока с увеличением смещения стока для полевого МОП-транзистора работающего в режиме насыщения. Чем короче расстояние между истоком и стоком, чем глубже дренажный переход и чем толще оксидный изолятор, тем эффект более выражен.

В области слабой инверсии влияние стока, аналогичное модуляции длины канала, приводит к худшему поведению при выключении устройства, известному как снижение барьера, вызванное стоком, т.е. понижение порогового напряжения, вызванное стоком.

В биполярных утройствах , подобное увеличение тока наблюдается с увеличением напряжения коллектора из-за сужения базы, известного как Эффект Эрли(ранний эффект). Сходство в действии на ток привело к использованию термина "ранний эффект" для полевых 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 полевого 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 = параметр модуляции длины канала. В классической модели Шичмана – Ходжеса, $V_{\text{th}}$ константа устройства, которая отражает реальность транзисторов с длинными каналами.

Выходное сопротивление

Модуляция длины канала важна, потому что она определяет выходное сопротивление MOSFET, важный параметр в схемотехнике 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 полевого МОП-транзистора L, как показано в последней форме выше дляr_O:

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

где V_E подгоночный параметр, хотя по своей концепции он аналогичен раннему напряжению для биполярного транзистора. Для процесса 65нм, примерно V_E ≈ 4 В/мкм. ((Более сложный подход используется в модели EKV.). Однако ни одна простая формула, используемая для λ на сегодняшний день, не дает точной зависимости r_O от длины или напряжения для современных устройств, что вынуждает использовать компьютерные модели, как вкратце обсуждается ниже.

Влияние модуляции длины канала на выходное сопротивление полевого МОП-транзистора зависит как от устройства, особенно от длины его канала, так и от приложенного смещения. Основным фактором, влияющим на выходное сопротивление в более длинных полевых МОП-транзисторах, является модуляция длины канала, как только что описано. В более коротких полевых МОП-транзисторах возникают дополнительные факторы, такие как: уменьшение барьера, вызванного стоком (которое 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 баллистическая проводимость (которая изменяет сбор тока стоком и изменяет вызванное стоком понижение барьера чтобы увеличить подачу носителей в область отсечки, увеличивая ток и уменьшая выходное сопротивление). Опять же, для получения точных результатов требуются компьютерные модели.

См. также

• Модуляция
• Threshold voltage
• Short channel effect
• Drain-induced barrier lowering
• МОП-структура
• Hybrid-pi model
• Transistor models

Ссылки

• What is channel length modulation? - OnMyPhD
• MOSFET Channel-Length Modulation - Tech brief