Исследование КНИ МОП транзисторов в условиях экстремальных температур (до 300°C). Работоспособность элементов и фрагментов аналоговых КМОП-схем, изготовленных по субмикронной 0,5-мкм КНИ КМОП-технологии. Влияние температуры на параметры транзисторов.
Аннотация к работе
В современном мире цифровые и аналоговые схемы применяются во всех областях, например в бытовой электронике или промышленном оборудовании. В зависимости от области применения температурные диапазоны в которых электроника должна работать (рис. 1), можно разделить на: потребительскую электронику 0°С-70°С, производственную электронику-40°-85°С, военную электронику-55°С-125°С, область повышенных температур-55°-250°C, расширенный диапазон до 400°С [1]. Высокотемпературная электроника востребована в областях, где проблематично или невозможно обеспечить активное охлаждение, а пассивное охлаждение не эффективно, например, в автомобильной промышленности, космическом кораблестроение, ядерной энергетике [8-11]. Так, например, в автомобильной промышленности возникает необходимость устанавливать датчики и системы управления вблизи с источниками тепла.Основными параметрами МОП транзистора, зависящими от температуры, являются: ширина запрещенной зоны Eg, концентрация носителей заряда n,p, подвижность ?, пороговое напряжение VT, ток утечки Isub [4,14, 15, 26, 27] . Зависимость ширины запрещенной зоны Eg от температуры описывается уравнением Варшни: , (1) где Eg(0) - это ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле по Кельвину в материале,?E и ?E - это константы, зависящие от материала. Концентрация носителей n, p влияет на электрическую и температурную проводимость и на положение уровня Ферми в материале (который зависит от температуры и уровня легирования). Зависимость концентрации от температуры определяется по формуле: , (2) где n - концентрация электронов, p - концентрация дырок, NC - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, Nv - эффективная плотность состояний в валентной зоне, EF - уровень Ферми, k=1,38•10-12 Дж/К - постоянная Больцмана, T - температура. На рисунке 3 изображена зависимость концентрации легированного материала от температуры.Компактные модели используются для замещения компонента электрической цепи для схемотехнического проектирования электрических цепей и интегральных схем с помощью SPICE-подобных программ моделирования. Термин «компактная модель» является общепризнанным в зарубежной литературе и подразумевает требование вычислительной простоты (компактности) таких моделей. Также при получении таких моделей используется множество других упрощающих предположений: о диапазоне применимости о постоянстве параметров, о погрешности аппроксимации и др. Однако, множество упрощающих предположений данные модели сохраняют физический смысл своих параметров и позволяют связать эти параметры с основными параметрами технологического процесс. Формальные модели основываются на сходстве поведения модели и объекта относительно внешних выводов.Большое количество моделей МОП транзисторов затрудняет взаимодействие разработчиков с кремниевыми фабриками, усложняет средства идентификации параметров и усложняет сопровождение моделей поставщиками программ схемотехнического моделирования. Изза больших временных затрат, необходимых для внедрения в промышленность новых моделей, возникла необходимость в создании единой модели, которая имела бы хорошие качественные показатели и была совместима со средствами идентификации параметров и различными средствами моделирования. Модель BSIM является моделью, основанной на понятии порогового напряжения, и учитывает следующие эффекты, происходящие в МОП транзисторах: · Влияние эффектов короткого и узкого канала на пороговое напряжение Это параметры (VTH0-пороговое напряжение транзистора с длинным каналом при Vbs =0; U0 - подвижность при комнатной температуре; и т.д.), которые входят в уравнения, определяющие основные параметры транзистора и вносят влияние различных эффектов (K1-коэффициент первого порядка, учитывающий смещение подложки; UA-коэффициент первого порядка, учитывающий деградацию подвижности изза вертикального поля; и т.д.). , (19) где Vth - пороговое напряжение, KT1 - температурный коэффициент для порогового напряжения; KT2 - коэффициент, учитывающий смещение на подложке для порогового напряжения; KT1L - коэффициент зависимости длины канала от температуры для порогового напряжения, VOFF - напряжение смещения нуля в предпороговой области для больших значений W и L, TVOFF - температурный коэффициент для VOFF, NFACTOR - определяющий фактор для предпороговой области, TNFACTOR - температурный коэффициент для NFACTOR.В статьях [3, 23] описывается модель, основанная на стандартной BSIMSOI, разработанная для моделирования с учетом температур в расширенном диапазоне (до 300°С). Смещение параметров модели с изменением температуры представляется полиноминальным выражением, которое справедливо для всех параметров, кроме подвижности: (22)Для разработчиков первичным источником информации о техпроцессе является тестовый кристалл, который используется для получения параметров компактных моделей [5]. Глобальная оптимизация основывается на использовании компьютерных средств для нахождения набора параметров, который будет давать результаты, наиболее совпадающие с имеющимися эксперименталь
План
Оглавление
Введение
1. Описание поведения МОП-транзистора на физическом уровне с учетом экстремальных температур
2. Описание поведения МОП-транзистора на схемотехническом уровне с учетом экстремальных температур
2.1 Классификация компактных моделей МОП-транзисторов
2.2 Модели BSIM
2.3 Модифицированная высокотемпературная модель BSIMSOI
2.4 Подход к экстракции параметров МОП транзисторов
3. Обработка результатов измерений ВАХ МОПТ в условиях экстремальной температуры
3.1 Измерения ВАХ МОПТ в условиях экстремальной температуры