Исследование влияния тепловых эффектов на важные характеристики субмикронных МОП ("металл-оксид-полупроводник") транзисторов. Построение тепловых моделей основных параметров МОПТ от температуры. Проверка корректности моделей на литературных источниках.
Аннотация к работе
Схемы на МОП транзисторах для криогенной электроники применяются в различных технических областях: спутниковая промышленность, исследование космоса. Эти схемы, предназначенные для эксплуатации при низкой температуре (77K), обладают рядом преимуществ, такими как: высокая скорость переключения, высокий коэффициент усиления, высокая интегральная плотность, а также низкое энергопотребление. Однако, проблема моделирования КМОП и МОП схем при низких температурах состоит в том, что самые распространенные модели не позволяют в полной мере описать характеристики МОПТ. Изучения влияния температуры на параметры транзистора помогают в дальнейшем решить ряд внутренних проблем, одна из которых заключается в надежности транзистора, а другая в правильном масштабировании характеристик, например, порогового напряженияПри охлаждении до криогенных температур в полупроводниках заметно возрастает подвижность. В менее легированных полупроводниках носители заряда попадают в ловушки при более низких температурах, что замедляет работу транзистора. Обычно подвижность связана с полупроводниками, у которых небольшая ширина заращенной зоны. Также эти полупроводники имеют более высокие значения диэлектрической постоянной, которая приводит к большим значениям емкости и медленному времени переключения транзистора. Собственная концентрация, эффективная плотность состояний, уровень Ферми, время релаксации электронов и дырок, коэффициенты поглощения являются лишь некоторыми из параметров, зависящих от массы, которые иллюстрируют актуальность эффективной массы при изучении свойств полупроводниковых материалов и устройств.В то же время, создавая новые физические модели, зависимые от температуры, появляется возможность точно спрогнозировать работу устройства при низкой температуре. Например, для МОП-транзисторов, работающих в режим вымораживания (где значение температура достигает до 50K), некоторые новые физические явления начинают играть роль в работе устройства, а их механизмы недостаточно изучены и требуют детального исследования. При низкой температуре это отчетливо видно, говоря о сопротивлении и подвижности, а также, влияние сильного поперечного электрического поля также вносит свой вклад. В случае обычного МОПТ пик электрического поля возникает в области контакта сток-подложка, тогда как в МОПТ с LDD пик электрического поля достигает вблизи края затвора. Пик электрического поля, возникающий под оксидом затвора, вызывает инжекцию электронов в оксид; инжекция электронов приводит к ухудшению электрических характеристик и к отказу интегральной схемы.В литературе упоминается несколько определений порогового напряжения, но обычно его понимают, как напряжение затвора, при котором образуется инверсионный слой на границе раздела между изолирующим слоем и подложкой транзистора. Пороговое напряжение играет важную роль для определения режимов работы устройства, которые можно разделить на три рабочие области. Температура влияет на параметры и характеристики МОП-транзисторов, особенно на пороговое напряжение и форму подпорогового участка характеристики.При малых концентрациях носителей инверсионного слоя, подвижность увеличивает по мере уменьшения рассеяния заряда оксида изза экранирования носителей заряда. При концентрации носителей выше пока, подвижность уменьшается, так как преобладает рассеяние на шероховатостях поверхности. Подвижность очень сильно зависит от температуры при низких концентрациях носителей инверсионного слоя. Увеличение кинетической энергии электронов вместе с температурой уменьшает не только рассеяние, но и эффект экранирования. Рис.7 Зависимость подвижности в канале от плотности носителей инверсионного слоя от температуры (в регионах указаны типы доминантных механизмов рассеяния) [7]Инжекция горячих электронов и дырок в оксид затвора МОПТ может привести к множеству деградации эффектов и нестабильности, которые становятся все хуже при низкой температуре. Как результат, электрические параметры устройства (пороговое напряжение, ток стока, проводимость и т.д.) изменяются в течение времени работы устройства и в итоге приводят к неисправности компонента или схемы. Целью исследования деградации ГН (горячих носителей) является ускоренное тестирование в экстремальных условиях для достижения того же уровня деградации в нужное время по сравнению со сроком службы, который составляет 10 лет. Вначале описывается общее поведение ГН деградации n-и p-МОПТ, то есть зависимость стрессовых условий от температуры, времени и т.д. Деградацию ГН можно различать на ту, что приводит к ассиметричным повреждениям вблизи стока или которая генерирует более или менее поперечно-однородное «давление» на диэлектрик затвора.Как правило, напряжение пробоя МОП-транзистора определяется как напряжение стока, для которого ток сток на 10% больше чем значение насыщения. Для длинноканальных транзисторов утечка будет преобладать с генерацией лавины вблизи стока. В короткоканальном МОПТ, сквозная утечка определяется эффектом DIBL (drain-induced barrier-lowering).
План
СОДЕРЖАНИЕ тепловой субмикронный транзистор температура
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Анализ эффектов в МОП транзисторах при изменении температуры
1.1.1 МОП транзистор
1.1.2 Пороговое напряжение
1.1.3 Подвижность
1.1.4 «Кинк» эффект при низкой температуре
1.1.5 Деградация горячих носителей заряда при низкой температуре
1.1.6 Утечка и пробой МОПТ при низкой температуре
1.1.7 Электротермический эффект
1.1.8 Эффект саморазогрева
2. Практическая часть
2.1 Моделирование зависимости порогового напряжения и подвижности от температуры
2.2 Моделирование ВАХ МОПТ с помощью стандартной модели BSIM3v3