Полная версия

Главная arrow Техника arrow Анализ принципа работы и расчет субмикронных МОП-транзисторов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Изменения характеристик МОПТ с повышением температуры

Применяемые в телекоммуникационном оборудовании электронные компоненты, в частности МОПТ, в ходе своей эксплуатации могут быть подвержены различным негативным внешним факторам, таким как излучение или экстремальная температура. Подобные воздействия снижают надёжность и долговечность оборудования, могут вызывать различные непредвиденные сбои. В работе были рассмотрены изменения характеристик МОПТ связанные с повышением температуры.

Изменение температуры оказывает влияние на такие характеристики МОПТ как: ширина энергетической зоны, плотность носителей, подвижность, диффузия носителей, скорости насыщения, плотность тока, пороговое напряжение, ток утечки, сопротивление межсоединений и электромиграция. Наиболее важными для рассмотрения являются: пороговое напряжение, подвижность носителей и ток утечки.

Пороговое напряжение МОПТ определяется выражением:

(1.3)

где напряжение плоской полосы, с контактным потенциалом затвор-подложка , и являются концентрациями легирования подложки и затвора, соответственно, - плотность поверхностного заряда, а - емкостью оксида; - параметр эффекта подложки, где - относительная диэлектрическая проницаемость кремния; это энергия Ферми с тепловым напряжением , и - собственная концентрация носителей кремния .

Из параметров (1.3) и изменяются с температурой (каждая содержит и температур). Таким образом, температурную зависимость порогового напряжения можно записать в виде:

где температурные зависимости и равны:

Филановский использовал эмпирические параметры по 0.35-миллиметровой КМОП-технологии, чтобы определить, что три члена в (1.4) равны - 3.1, 2.7 и - 0.43 мВ/К, что приводит к чистому пороговому температурному коэффициенту 0.83 мВ/К. Пороговое напряжение в МОП-транзисторе обычно моделируется для линейного уменьшения с повышением температуры. Параметр изображен на рис. 1.10 в диапазоне толщин окисла d и легирования .

Изменение температурной зависимости порогового напряжения при комнатной температуре от концентрации легирующей примеси с толщиной оксида d

Рис. 1.10. Изменение температурной зависимости порогового напряжения при комнатной температуре от концентрации легирующей примеси с толщиной оксида d

Подпороговый ток утечки экспоненциально зависит от температуры, как показано на рис. 1.11. Общим правилом является то, что ток утечки удваивается при каждом повышении температуры на 10°С. Когда может быть представлен моделью диода Шокли:

Где - ток обратного насыщения [12], A - постоянная величина, а - напряжение стока. , видно, что отвечает за экспоненциальную температурную зависимость, показанную на рис. 1.11.

Было показано, что температурная зависимость тока утечки на затворе очень мала по сравнению с температурой подпорогового тока утечки.

Температурная зависимость подпорогового тока утечки

Рис. 1.11. Температурная зависимость подпорогового тока утечки

Подвижность свободных носителей.

Подвижность является одним из двух основных факторов (другое - пороговое напряжение), определяющих температурное поведение МОПТ. Подвижность носителей, м (), описывает скорость дрейфа частицы в приложенном электрическом поле. При малых и средних электрических полях, где скорость дрейфа, а электрическое поле. Подвижность МОПТ имеет очень сложную температурную зависимость, определяемую взаимодействием следующих четырех параметров рассеяния: фононного рассеяния , рассеяния неровности поверхности , рассеяния объемного кулоновского заряда , и рассеяния межфазного кулоновского заряда . Каждый из этих параметров рассеяния связан с температурой материала Т и эффективным поперечным электрическим полем в канале , который аппроксимируется как:

где постоянная ( в устройствах PMOS и в устройствах NMOS), плотность заряда инверсионного слоя, плотность обедненного заряда подложки, относительная диэлектрическая проницаемость кремния. Это приближение не очень удобно для анализа схем, поэтому также аппроксимируется в терминах напряжения затвор-исток , порогового напряжения и толщины оксида затвора .

Модель Беркли (BSIM), одна из наиболее широко используемых моделей, имитирующих поведение МОПТ, объединяет эти четыре параметра рассеяния в эффективную подвижность, [14], используя правило Маттиссена:

Рассеяние фононов относится к потенциальному рассеянию электрона на колебаниях решетки. С ростом температуры колебания решетки увеличиваются, и вероятность рассеяния электрона на решетке возрастает; таким образом, подвижности электронов при высокой температуре ограничены рассеянием фононов (), что приводит к уменьшению подвижности при повышении температуры, как показано на 1.12 (а). Рассеяние на неровностях поверхности становится преобладающим, когда сильные электрические поля выбивают электроны, находящиеся вблизи поверхности ().

(а) Температурная зависимость подвижностей электронов и дырок в Si для разных концентраций легирующей примеси, (b) Полевая зависимость подвижности

Рис. 1.12. (а) Температурная зависимость подвижностей электронов и дырок в Si для разных концентраций легирующей примеси, (b) Полевая зависимость подвижности

При низких температурах электроны движутся медленнее, и колебания решетки также малы. Таким образом, ионные примесные силы, которые оказывают небольшое влияние на частицы с высокой энергией, становятся преобладающим ограничением подвижности. В этом режиме понижение температуры увеличивает количество времени, которое электроны проводят, пропуская ион примеси, что приводит к уменьшению подвижности с понижением температуры (). Этот эффект показан на кривых концентрации сильной легирующей примеси, изображенных на рис. 1.12(a), где подвижность уменьшается при понижении температуры (например, в линии концентрации примеси ниже ~ 30 K).

Зависимость подвижности от электрического поля показана на рис. 1.12(b). При объемном кулоновском рассеянии увеличение приводит к повышению плотности заряда в канале. Связанное с этим экранирование заряда уменьшает влияние При низких температурах заряды на поверхности раздела имеют две противоречивые зависимости. Снижение температуры приводит к снижению тепловой скорости носителей, что увеличивает влияние этих зарядов. Однако, уменьшенная тепловая скорость также уменьшает экранирующий эффект [18], и это сокращение экранирования преобладает над температурной зависимостью (). Эффект экранирования электрического поля также ослабляется уменьшенной тепловой скоростью (, а не , как в пределе ). Таким образом, подвижность будет уменьшаться с ростом температуры.

Температурная зависимость подвижности играет важную роль в проектировании системы температурных режимов. При комнатной температуре подвижность электронов в кремнии почти втрое превышает подвижность дырок : и

 
Перейти к загрузке файла
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>