нарная динамика может возникать в кремниевых и арсенид-галлиевых приборах с длиной канала 0,1 -1 мкм и проявляется сильнее в материалах с более высокой подвижностью и малыми значениями эффективной массы носителей заряда. Такой режим работы-прибора называют баллистическим или пролетным.

18.3.1. БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ И ПРОЛЕТНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Под пролетным будем понимать промежуточный режим, когда инжектируемые носители не успевают достичь динамического стационарного равновесия с рассеивающей системой до переключения прибора. В данном случае не достигается стационарный дрейф, а перенос носителей будет определяться пролетным режимом. Поскольку при этом преобладают инерционные эффекты, то локальная скорость электронов не будет соответствовать той скорости, которая определяется из ее стационарной зависимости от локального электрического поля. Этот режим не является действительно баллистическим [24], под которым подразумевается, что носители свободно ускоряются по всей длине прибора без какого-либо рассеяния. В пролетном режиме рассеяние существует, и это близко к реальной ситуации, так как всегда существуют механизмы рассеяния, описываемые распределением постоянных времен. Действительно, процессы переноса существенно зависят от таких факторов, как влияние пространственного заряда (ток, ограниченный пространственным зарядом), областей вблизи контактов, поверхности и границ разделов различных областей прибора (последние становятся существенными, так как отношение поверхности к объему увеличивается с уменьшением размеров). Наличие полей большой напряженности может нарушить процессы рассеяния [22, 8], так как они происходят не мгновенно, а в течение определенного среднего времени, обусловленного межэлектронным рассеянием. Эти эффекты обусловлены характером изменения энергии и импульса носителей под действием поля в процессе рассеяния, правильное толкование которого требует привлечения квантовой теории переноса, хотя эти эффекты в основном проявляются в приборах средних размеров.

18.3.2. ЭФФЕКТ ВСПЛЕСКА

На рис. 18.2 показаны качественные зависимости, характеризующие изменение средней скорости дрейфа носителей во времени при условии ступенчатого изменения электрического поля, приложенного к прибору с коротким каналом [23], в классическом и квантовом случаях проявления эффекта всплеска (последний случай относится к "быстрому" эффекту всплеска, обусловленному влиянием межэлектронного рассеяния, замедляющего процессы рассеяния и приводящего к нелокальному отклику [23]). На коротком расстоянии в канале большинство носителей свободно ускоряются; далее более быстро происходящие процессы релаксации импульса приводят носители к промежуточному квазистационарному положению, которое в конечном итоге из-за более медленно происходящих процессов релаксации энергии переходит к действительно стационарному состоянию. Поведение

Кароткий канал

Днинньш канал

квантовый перенос

Классический перенк

1-ю" 1ь

время

Рис. 18.2. Проявление эффекта всплеска при ступенчатом изменении напряженности электрического попя

Ваппистический перенос

о 5 10 15 20 25 Нюряженность зпектричесто поля,кВ/см

Рис. 18.3. Зависимости средней скорости от напряжеяности электрического попя для GaAs приборов с коротким каналом при Г = 300 К

Скачкоодрозиое изменение

Плавное изменение

Напряженность электрического поля

Рис. 18.4. Влияние формы импульса электрического поля на проявление •«- эффекта всплеска

энергетической зависимости этого процесса критично к влиянию различных факторов, и, как сейчас полагают, процессы диффузии и изменение температуры носителей оказывают свое влияние на проявление эффекта всплеска. На рис. 18.3 в качестве примера показано, как изменяется среднее значение скорости дрейфа v (длина канала L, деленная на среднее время пролета Т) от напряженности электрического поля для двух размеров длин канала в предположении однородности поля. Влияние формы импульса поля на проявление эффекта всплеска иллюстрируется зависимостями, приведенными на рис. 18.4. Максимум скорости дрейфа достигается при резком изменении напряженности электрического поля. Однако в реальных случаях форма импульса определяется возникающими искажениями в других приборах и постоянной времени {RC) данного прибора, так что чаще возникают плавные изменения напряженности поля, что безусловно уменьшает степень проявления эффекта всплеска [25]. При любых попытках использовать для повышения быстродействия прибора эффект всплеска следует учитывать этот фактор.

Все эти пространственно-временные релаксащюнные эффекты обусловлены самосогласующимся электрическим полем в пределах объема прибора, которое из-за граничных эффектов, влияния геометрии прибора, ус-

ловий на контактах, диффузии и релаксационных процессов в диэлектрике само является неоднородным в пространстве и во времени. В настоящее время отсутствуют модели, которые учитывали бы все эти эффекты. В существующих подходах реализованы методы моделирования широкого спектра эффектов - от баллистического переноса при ограничении токов пространственным зарядом до квантового переноса в сильных однородных полях.

Необходимо отметить, что пролетный режим может включать в себя значительную часть носителей с более низкой энергией, у которых длина волны де Бройля сравнима с длиной канала и, следовательно, с длиной свободного пробега. Если границы прибора резко профилированы, то может возникнуть интерференция, приводящая к появлению размерно-локализованных состояний. Конечно, электрическое поле будет перемешивать эти состояния для формирования общего тока, но наличие резонансов может привести к некоторому увеличению общего времени пролета. Этот эффект уже был рассмотрен в простых моделях структур типа металл-диэлектрик-металл-диэлектрик-металл (МДМДМ).

В настоящее время начали появляться новые структуры приборов с размерами, составляющими доли микрометра: транзистор с проницаемой базой, структуры типа МДМДМ, транзисторы с горячими электронами в канале, транзисторы с высокой подвижностью, "баллистические" транзисторы и многие другие, в которых пытаются использовать пролетный режим работьг для повышения быстродействия, увеличения выходной мощности и рабочих частот. До сих пор эти структуры все еще хорошо не осмыслены теоретически, особенно в вопросах применения в различных схемах. Такие характеристики, как надежность работы, особенности производства, интеграции и т.д., еще не подтверждены и не выявлены, и неизвестно, с какими эффектами будет связано действительное распределение тепла в структуре прибора, поскольку предполагается, что может достигаться малое рассеивание мощности в пределах активной области "баллистического" прибора.

Влияние паразитных эффектов и эффектов радиационного повреждения на характеристики приборов с размерами менее 1 мкм с учетом факторов несостоятельности моделей короткого канала уже обсуждалось в литературе [15]. Однако могут еще появиться многие другие новые проблемы.

18.3.3. СВЕРХМАЛОГАБАРИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Для наименьших, которые можно себе представить, структур приборов с длинами каналов, ограниченными величинами 25 нм (на кремнии) и 100 нм (на GaAs), определение понятия длины свободного пробега становится бессмысленным. При таких квантовых масштабах нельзя учесть одновременно ни эффекты, связанные с воздействием электрического поля, ни влияние особенностей данного прибора (поверхность, границы разделов областей прибора, контакты и связи с другими приборами) [8]. В подобных приборах становятся возможными процессы квантового переноса носителей заряда путем туннелирования, а сами приборы неизбежно приходится пред-422