Полная версия

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

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Литературный пример изменения температурных характеристик МОПТ

Пороговое напряжение частично обедненных и полностью обедненных КНИ МОП-транзисторов уменьшается с повышением температуры. Ответственным за уменьшение является изменение напряжения в плоской зоне и изменение истощения заряда под затвором устройства. Из-за результирующей самопроводимости устройств КНИ МОПТ при высоких температурах снижение порогового напряжения может иметь решающее значение для работы схемы. Даже если транзистор отключен (напряжение затвор-исток ), ток утечки может преобладать над токами утечки при высоких температурах. Эти токи утечки приводят к увеличению статического тока покоя в аналоговых и цифровых схемах при высоких температурах. Основным источником тока утечки является подпороговый ток утечки , который зависит от порогового напряжения. Следовательно, должно быть гарантировано достаточно высокое пороговое напряжение, особенно при высоких температурах.

В обозреваемой статье экспериментально получены пороговые напряжения n-канальных устройств A-типа (Split-Source) и H_типа (NHGATE) для температур до 400°C. Измерения проводились в высокотемпературной печи. Пороговое напряжение извлекалось из входной характеристической кривой над , используя метод касательных в точке максимального наклона (). Результаты оценивали с использованием MATLAB. Измеренное пороговое напряжение по температуре показано на рисунке 1.12. Контакт к телу транзистора H-типа закорочен с истоком (). Напряжение нижний затвор-исток обоих приборов равно нулю ().

Измеренные пороговые напряжения устройств А-типа и Н-типа по температуре с

Рис. 1.13. Измеренные пороговые напряжения устройств А-типа и Н-типа по температуре с

Из рисунка 1.13 видно, что температурная зависимость обоих пороговых напряжений аналогична. Оба пороговых напряжения уменьшаются нелинейно с повышением температуры. Это нелинейное уменьшение указывает на то, что устройства частично истощаются при более высоких температурах.

При температуре 400°С остальные пороговые напряжения обоих устройств составляют менее 200 мВ. Из этих измерений можно ожидать, что подпороговый ток утечки значительно увеличивается за счет низкого порогового напряжения. Экспериментально полученные пороговые напряжения n-канальных и p-канальных КНИ МОПТ А-типа в зависимости от температуры показаны на рисунке 1.14.

Пороговые напряжения показаны сплошными линиями. Для лучшего сравнения линейной и нелинейной деградации, линейная деградация в полностью обедненном режиме экстраполировалась на более высокие температуры и показана пунктирными линиями. Пороговое напряжение n-канальных КНИ МОПТ уменьшается линейно до температуры приблизительно 125°C. При более высоких температурах может быть распознано нелинейное уменьшение, которое связано с переходом транзистора от полностью обедненного режима до частично обедненного при высоких температурах.

Измеренное пороговое напряжение n-канальных и p-канальных А-типа по температуре

Рис. 1.14. Измеренное пороговое напряжение n-канальных и p-канальных А-типа по температуре.

Пороговое напряжение КНИ МОП-транзисторов А-типа измерялось без учёта влияния нижнего затвора (). Результирующее полное абсолютное пороговое напряжение p-канальных КНИ МОП-транзисторов А-типа выше по сравнению с n-канальными устройствами. Для устройств с p-каналом также можно распознать переход от полностью обедненного к частично обедненному режиму. Температура перехода находится примерно на 200°С. Это выше для p-канальных КНИ МОП-транзисторов, чем для n-канальных устройств из-за более низкой концентрации легирующего слоя. Оставшееся пороговое напряжение при 400°C составляет примерно и, следовательно, выше, чем пороговое напряжение n-канальных устройств. Когда рассматривается влияние нижнего затвора для p-канальных МОП-транзисторов, пороговое напряжение обоих устройств при 400°C слишком низкое для предотвращения сильных токов утечки.

Основной вклад в общий ток утечки вносят ток утечки p-nперехода и подпороговый ток утечки. Поскольку и подпороговый ток утечки, и ток утечки p-nперехода пропорциональны ширине устройства W, токи утечки особенно важны для устройств с большой шириной канала. Для того чтобы определить механизмы тока утечки в рассматриваемой технологии КНИ, экспериментально были исследованы токи утечки при температуре до 400°С. На рисунке 1.15 показана слабая инверсия входных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора в зависимости от напряжения затвор-исток для различных температур от 50 до 400°C.

Слабая инверсия входных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора в зависимости от напряжения затвор-исток для различных температур от 50 до 400°C

Рис. 1.15. Слабая инверсия входных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора в зависимости от напряжения затвор-исток для различных температур от 50 до 400°C

Измерения проводились в высокотемпературной печи в соответствии с измерительной установкой. Относительно высокий уровень шума может быть распознан при малых уровнях тока стока, что определяется настройками измерений. N-канальный КНИ МОПТ имеет ширину канала 8 мкм и длину канала 4.8 мкм. Общий ток утечки устройства определяется как ток, протекающий в сточную клемму транзистора, когда устройство отключено и имеет нулевое напряжение затвор-исток (). При низких температурах до 100°C ток утечки ниже 1 пA. При 400°С ток утечки достигает 0.5 мкА. Из рисунка 1.15 видно, что ток утечки при и температурах выше 100°С является экспоненциальной функцией напряжения затвор-исток . Причиной этого является изменение состояния инверсии, то есть от обеднения до слабой инверсии. Это изменение в первую очередь происходит под влиянием увеличения температуры, а не из-за влияния напряжения затвор-исток .

В результате основной вклад в общий ток утечки вносит подпороговый ток утечки, который увеличивается из-за слабой инверсии при высоких температурах. Хотя подпороговый ток утечки преобладает над током утечки при и при высоких температурах, исследование тока утечки p-nперехода может быть полезно для проверки состояния обеднения КНИ МОПТ устройств. То, что p-nток утечки является преобладающим механизмом генерации или диффузии внутри кремниевой пленки, можно определить по пропорциональности тока утечки p-nперехода в или соответственно. Чтобы решить эту проблему, ток утечки p-nперехода измерялся по температуре. Чтобы убедиться, что на стоке транзистора не измеряется ток подпорогового канала, ток утечки p-nперехода измеряли при напряжении затвор-исток . Полученный ток утечки p-nперехода n-канального КНИ МОПТ с напряжением сток-исток и напряжением затвор-исток показан на рисунке 1.16. Собственные концентрации носителей и были нормированы (), чтобы сравнить их градиент температуры с током утечки p-nперехода, который показан на рисунке 1.16. Выражение в уравнении:

использовалось для вычисления . Ток утечки p-nперехода пропорционален квадрату концентрации собственных носителей при температурах свыше 150°С. Поскольку ток утечки p-nперехода при высоких температурах пропорционален , можно предположить, что диффузионный ток вносит определяющий вклад в p-nток утечки частично обедненных КНИ МОПТ, который также известен из литературы.

Исследование механизмов тока утечки по температуре также доказывает, что КНИ МОПТ-устройства в рассматриваемой технологии КНИ частично истощаются при высоких температурах. Хотя токи утечки p-nперехода являются высокими, подпороговый ток утечки является преобладающей частью общей утечки, которая измеряется в стоке устройств при высоких температурах

 
Перейти к загрузке файла
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>