Reducción de la barrera inducida por el drenaje

La reducción de la barrera inducida por el drenaje ( DIBL , por sus siglas en inglés) es un efecto de canal corto en los MOSFET que originalmente se refería a una disminución del voltaje umbral del transistor a voltajes de drenaje más altos. En un transistor de efecto de campo planar clásico con un canal largo, el cuello de botella en la formación del canal ocurre lo suficientemente lejos del contacto del drenaje como para que esté blindado electrostáticamente por la combinación del sustrato y la puerta, por lo que clásicamente el voltaje umbral era independiente del voltaje de drenaje. En los dispositivos de canal corto, esto ya no es cierto: el drenaje está lo suficientemente cerca como para controlar el canal, por lo que un voltaje de drenaje alto puede abrir el cuello de botella y encender el transistor prematuramente.

El origen de la disminución del umbral puede entenderse como una consecuencia de la neutralidad de carga: el modelo de reparto de carga de Yau. ^{[ 1 ]} La carga combinada en la región de agotamiento del dispositivo y la del canal del dispositivo se equilibra mediante tres cargas de electrodos: la compuerta, la fuente y el drenador. A medida que aumenta el voltaje del drenador, la región de agotamiento de la unión pn entre el drenador y el sustrato aumenta de tamaño y se extiende bajo la compuerta, por lo que el drenador asume una mayor parte de la carga de equilibrio de la región de agotamiento, dejando una carga menor para la compuerta. Como resultado, la carga presente en la compuerta mantiene el equilibrio de carga al atraer más portadores al canal, un efecto equivalente a la disminución del voltaje umbral del dispositivo.

En efecto, el canal se vuelve más atractivo para los electrones. En otras palabras, la barrera de energía potencial para los electrones en el canal disminuye. De ahí que se utilice el término "reducción de barrera" para describir estos fenómenos. Desafortunadamente, no es fácil obtener resultados analíticos precisos utilizando el concepto de reducción de barrera.

La reducción de la barrera aumenta a medida que se reduce la longitud del canal, incluso con una polarización de drenaje aplicada nula, porque la fuente y el drenaje forman uniones p-n con el cuerpo y, por lo tanto, tienen capas de agotamiento incorporadas asociadas que se convierten en socios importantes en el equilibrio de carga en longitudes de canal cortas, incluso sin aplicar una polarización inversa para aumentar los anchos de agotamiento .

Sin embargo, el término DIBL se ha extendido más allá de la noción de simple ajuste de umbral y se refiere a una serie de efectos del voltaje de drenaje sobre las curvas I-V de los MOSFET que van más allá de la descripción en términos de simples cambios en el voltaje de umbral, como se describe a continuación.

A medida que se reduce la longitud del canal, los efectos de DIBL en la región subumbral (inversión débil) se manifiestan inicialmente como una simple traslación de la curva de corriente subumbral frente a la polarización de la compuerta con el cambio en la tensión de drenaje, lo que puede modelarse como un simple cambio en la tensión umbral con la polarización de drenaje. Sin embargo, en longitudes más cortas, la pendiente de la curva de corriente frente a la polarización de la compuerta se reduce, es decir, se requiere un cambio mayor en la polarización de la compuerta para producir el mismo cambio en la corriente de drenaje. En longitudes extremadamente cortas, la compuerta no logra apagar el dispositivo. Estos efectos no pueden modelarse como un ajuste de umbral. ^{[ 2 ]}

DIBL también afecta la curva de corriente frente a polarización de drenaje en el modo activo , provocando un aumento de la corriente con la polarización de drenaje y, por consiguiente, una disminución de la resistencia de salida del MOSFET. Este aumento se suma al efecto normal de modulación de la longitud del canal sobre la resistencia de salida y no siempre puede modelarse como un ajuste de umbral.

En la práctica, el DIBL se puede calcular de la siguiente manera:

${\displaystyle \mathrm {DIBL} =-{\frac {V_{Th}^{DD}-V_{Th}^{\mathrm {bajo} }}{V_{DD}-V_{D}^{\mathrm {bajo} }}},}$

dónde${\displaystyle V_{Th}^{DD}}$o Vtsat es la tensión umbral medida a una tensión de alimentación (la tensión de drenaje alta), y${\displaystyle V_{Th}^{\mathrm {bajo} }}$o Vtlin es la tensión umbral medida a una tensión de drenaje muy baja, típicamente 0,05 V o 0,1 V.${\displaystyle V_{DD}}$es la tensión de alimentación (la alta tensión de drenaje) y${\displaystyle V_{D}^{\mathrm {bajo} }}$es el bajo voltaje de drenaje (para una parte lineal de las características IV del dispositivo). El signo menos delante de la fórmula garantiza un valor DIBL positivo. Esto se debe a que el alto voltaje umbral de drenaje,${\displaystyle V_{Th}^{DD}}$, siempre es menor que el voltaje umbral de drenaje bajo,${\displaystyle V_{Th}^{\mathrm {bajo} }}$Las unidades típicas de DIBL son mV/V.

DIBL también puede reducir la frecuencia de funcionamiento del dispositivo, como se describe en la siguiente ecuación:

${\displaystyle {\frac {\Delta f}{f}}=-{\frac {2\mathrm {DIBL} }{V_{DD}-V_{Th}}},}$

dónde${\displaystyle V_{DD}}$es la tensión de alimentación y${\displaystyle V_{Th}}$es el voltaje umbral.

• Modulación de la longitud del canal
• Voltaje umbral
• Funcionamiento del MOSFET