3.2.3 Методы, основанные на измерении надпороговой вах транзисторов

Существуют некоторые методики измерений, используемые для того, чтобы электрически охарактеризовать радиационно-индуцированные дефекты в МОП-транзисторах. Пороговое напряжение можно определить с помощью измерения ВАХ как в линейной области (малое напряжение на стоке), так и в области насыщения (большое напряжение на стоке). При малых напряжениях на стоке (V_d << V_g – V_th) ток стока в линейной области I_d определяется выражением [13, 18]

, (3.15)

где  — подвижность носителей; W — ширина канала; L_c — длина канала; V_g — напряжение затвор-исток; V_d — напряжение сток-исток; V_th — пороговое напряжение.

Таким образом, пороговое напряжение можно определить по пересечению графика зависимости I_d(V_g) с осью напряжения. Следует отметить, что пороговое напряжение, определенное из (3.15) не равно напряжению инверсии конденсатора, соответствующему поверхностному потенциалу, равному 2_B [13]. Подвижность носителей можно определить по наклону данного участка ВАХ.

Ток стока в области насыщения описывается выражением [13, 18]

, (3.16)

где m — постоянная, зависящая от уровня легирования и приблизительно равная 1/2 при низких уровнях легирования.

В области насыщения пороговое напряжение может быть определено по пересечению графика зависимости квадратного корня тока стока от напряжения на затворе с осью напряжения.

3.2.4 Метод накачки заряда

Метод накачки заряда — это очень чувствительный метод, который может быть использован при измерениях очень малых изменений плотности поверхностных ловушек D_it [13]. Данный метод значительно более чувствителен, чем любой другой электрический метод определения зарядов в МОП-структурах. Он может использоваться для проведения быстрых (< 1 с) измерений. Однако напрямую метод накачки заряда не позволяет определить ни D_it, ни V_it: оба эти параметра выводятся из тока накачки заряда. Кроме того, сам по себе метод накачки заряда не может быть использован для точных и прямых измерений величины V_ot [13].

Если непрерывно переключать транзистор из режима инверсии в режим аккумуляции и обратно с помощью подачи между затвором и подложкой импульсного напряжения, то в подложке будет протекать ток накачки заряда как результат захвата и испускания основных и неосновных носителей расположенными на границе Si/SiO₂ ловушками. Для треугольной формы сигнала напряжения накачки заряда ток накачки заряда I_cp связан со средней плотностью поверхностных ловушек D_it через соотношение [13]

, (3.17)

где А — площадь транзистора; v_t — тепловая скорость носителей; n_i — собственная концентрация носителей; _n и _p — сечение захвата электронов и дырок; V_fb — напряжение плоских зон; f и V_g — частота и амплитуда измерительного сигнала соответственно.

Из (3.17) видно, что сигнал накачки заряда приблизительно линейно возрастает с частотой напряжения накачки заряда. Таким образом, для повышения соотношения сигнал-шум измерения по методу накачки заряда часто проводятся на высокой частоте. На рис. 3.9 [13] приведены примеры кривых накачки заряда, измеренных до и после облучения p-канальных транзисторов дозой 3 Мрад(SiO₂) с подачей треугольного сигнала напряжения, наложенного на постоянное смещение V_offset.

Рис. 3.9. Ток накачки заряда в МОП-транзисторе до и после облучения дозой 3 Мрад(SiO₂)

Для точного вычисления D_it нужно знать зависимость эффективного сечения поверхностных ловушек от дозы. Также вследствие неопределенностей, вызванных геометрическими составляющими тока накачки заряда (например, рекомбинация в объеме вместо поверхности), возникают некоторые вопросы по поводу точности вычисления D_it из тока накачки заряда в некоторых приборах. Кроме того, имеются трудности определения V_it через D_it, связанные с неопределенностью того, какая часть запрещенной зоны дает вклад в ток накачки заряда [1]. Тем не менее, метод накачки заряда — это очень полезный инструмент для исследований встраивания поверхностных ловушек в МОП-транзисторах.