Двумерное моделирование транзисторов в TCAD №3740

3.3.2. Полевой транзистор с затвором Шоттки

Полевые транзисторы с затворами в виде контакта металл– полупроводник (затвор Шоттки, ПТШ) устроены аналогично ПТУП, но вместо управляющего p-n-перехода выполняется контакт Шоттки с заданной высотой барьера ФВ (рис. 3.21 и 3.22). Расстояния между краями контакта Шоттки и металлургическими границами n+ областей истока и стока не менее 0,1 мкм.

В программе SemSim высота барьера на контакте задается электростатическим потенциалом в полупроводнике ФВ со стороны металла (рис. 3.22). Величина этого потенциала будет равна

q

так что при M = 0,7 В и EF = 0,3 эВ ФВ = – 0,4 В.

41

B

EF

42

Основным материалом ПТШ служит GaAs, для замены Si на GaAs следует присоединить к проекту папки директив Material properties properties и Mobility Models и установить соответствующие значения, как показано на рис. 3.23.

Рис. 3.23. Папка с параметрами арсенида галлия

3.3.3. МОП-транзистор

На рис. 3.24 представлена структура полевого транзистора с изолированным затвором. Обозначения электродов те же, что и на рис. 3.20, а dOX – толщина подзатворного диэлектрика, L – длина канала, т. е. расстояние между металлургическими границами переходов истока и стока, YSD – глубинa залегания переходов истока и стока.

43

Для n-МОП-транзистора с индуцированным каналом с целью регулирования порогового напряжения в области под затвором транзистора выполняется подлегирование акцепторами. При этом за глубину залегания области подлегирования YCH принимается точка, в которой концентрация подлегирующей примеси сравняется с концентрацией акцепторов в подложке.

При выполнении задания размеры областей надо выбрать так, чтобы длины выводов истока и стока были не менее 0,1 мкм. Зазоры между металлами стока–истока и затвора также должны оставаться не менее 0,1 мкм.

3.3.4. Определение электрофизических параметров ПТ по рассчитанным ВАХ

Подпороговый ток и его SU-параметр. Ток стока, текущий в МОП-транзисторе тогда, когда прибор находится в закрытом состоянии, называется подпороговым током. В этом случае напряжение на затворе меньше порогового и транзистор работает в режиме слабой инверсии. Физические процессы, протекающие в нем, аналогичны процессам в NPN биполярного транзистора, у которого исток является эмиттером, сток – коллектором, а р-область между ними – базой.

44

В таких условиях ток канала ПТ состоит из дрейфовой и диффузионной составляющих, причем основной компонентой является диффузионная и поэтому подпороговый ток n-канального транзистора равен

где b – ширина, h – толщина канала.

Пренебрегая рекомбинацией в канале и захватом на поверхностные состояния, имеем, что

где L – длина канала. Объемные концентрации электронов у стока и истока n(0) и n(L) можно представить через поверхностный потенциал

s у истока:

Из (3.18) и (3.19) следует, что концентрация электронов вдоль канала убывает линейно с расстоянием от истока к стоку. Ясно, что

n L n 0 , и поэтому можно считать n(L) = 0.

концентрация акцепторов в подложке и однородном канале, получаем

Пренебрегая экспонентой в (3.20), получаем упрощенное выражение

45

Хорошо известно [8–12], что в МОП-структуре концентрация электронов поперек канала находится в экспоненциальной зависимости от потенциала (Y). С учетом этого эффективную толщину канала h можно определить как расстояние от поверхности в глубину подложки, на котором потенциал (Y) уменьшается на величину порядка теплового потенциала. То есть толщина канала определяется как

где EY – компонента напряженности поля, направленная поперек канала и равная (из закона Гаусса)

Здесь C – емкость ОПЗ полупроводника (подложки). Теперь с учетом (3.21), (3.22) и (3.23) окончательно получаем, что подпороговый ток равен

Для описания чувствительности изменения напряжения на затворе от тока стока вводится понятие характерного изменения напряжения на затворе SU (slip – напряжение), при котором ток стока меняется на порядок. По определению

Как отмечено в [9, с. 20, 10, с. 86], до наступления инверсии имеет место равенство

где CG – емкость подзатворного диэлектрика.

46

Тогда slip-напряжение SU в подпороговой области равно

где CCG – линейный коэффициент влияния подложки. Очевидно,

что чем больше концентрация легирующей примеси в подложке NAB и толще окисел под затвором, тем больше slip-напряжение SU.

Пороговое напряжение и напряжение отсечки (UT и UG0). В свя-

зи с вышеизложенным анализом подпороговых токов за пороговое напряжение UT следует считать точку перегиба выходной ВАХ МОПТ, в которой экспоненциальный наклон подпороговой области переходит в квадратичную зависимость тока стока от напряжения на затворе. Аналогичным образом следует определять и напряжение отсечки UG0 для ПТУП.

Для ВАХ на рис. 3.25 найденное таким способом пороговое напряжение равно 1 В. Все начальные участки токов стока вблизи открывания каналов имеют экспоненциальные «хвосты» с описанным выше

Напряжение запирания UB0 и коэффициент влияния подложки.

Для оценки влияния подложки, действующей в МОПТ с индуцированным каналом аналогично затвору ПТУП, полезно ввести понятие

напряжения запирания по подложке UB0. Для транзистора, включенно-

го по схеме с ОИ, под UB0 понимается такое напряжение обратносмещенного p–n-перехода исток–подложка, при котором транзистор из открытого состояния переводится в закрытое, причем все остальные напряжения в первоначально открытом транзисторе, находящемся в состоянии насыщения, остаются постоянными.

Напряжение подложка–исток UB изменяет величину порогового напряжения:

где UT(0) – введенное выше пороговое напряжение, соответствующее несмещенной подложке, а UT(UB) – смещение порогового напряжения по подложке. Ток стока МОПТ в состоянии насыщения квадратично зависит от разности напряжений UG–UT, поэтому очевидно, что в закрытом состоянии транзистора эта разность должна равняться нулю. Тогда напряжение запирания UB0 можно найти из уравнения

как смещение сток–затворной характеристики напряжением на подложке при постоянном токе стока. Значения напряжений на подложке следует взять UB = 0 и UB = – 1 В, а напряжение на стоке UD = 1 B.

Согласно [8–13] коэффициент влияния подложки K равен

48

При выполнении задания K следует пересчитать по формуле

а потенциал инверсии I найти из

Концентрация акцепторов под затвором NAB в (3.33) есть усредненная концентрация акцепторов в канале, учитывающая его подлегирование. Поэтому ее следует определить из профиля распределения концентрации примесей, например, в середине канала N(h/2) = NAB. Отметим, что здесь возможны и другие способы усреднения.

Удельная крутизна . Крутизна S = dID/dUG = GDG(UG) для всех полевых транзисторов примерно линейно зависит от напряжения на затворе [8–13] и обращается в нуль вместе с током при пороговом напряжении или в точке отсечки транзистора.

Удельная крутизна

представляет собой приращение крутизны на один вольт напряжения на затворе. Удельную крутизну легко найти по графику крутизны GDG(UG) из треугольника ABC, показанного на рис. 3.26. Эта величина равна отношению катетов BC и АС. Если принять, что напряжение UG

можно применить следующий способ. Используя маркер на зависимости GDG(UG), из SibGraf 2D в XY-окошке нужно отсчитать две пары значений крутизны и напряжения на затворе и вычислить удельную крутизну как отношение приращений:

49

Аналогично для ПТУП удельная крутизна может быть определена как отношение крутизны GDG(0) (т. е. при нулевом напряжении – на затворе) к напряжению отсечки UG0, как показано на рис. 3.27:

Рис. 3.27. Зависимость крутизны от напряжения на затворе для n-канального ПТУП в пологой области ВАХ

50