Эффект пробоя диэлектрика (segr)

Эффект пробоя диэлектрика SEGR (Single Event Gate Rupture) возникает в полевых транзисторах при прохождении ТЗЧ через подзатворный диэлектрик. На рис. 5.5 [89] для пояснения механизма возникновения данного эффекта показана структура полевого транзистора и трек частицы, попадающей в подзатворный диэлектрик.

Суть данного явления состоит в том, что подзатворный диэлектрик теряет свои свойства (перестает быть изолятором) при некоторой напряженности электрического поля, максимальное значение которой по разным источникам [94] составляет величину порядка 10 МВ/cм. Так как маломощные транзисторы работают при небольших напряжениях, то для них данная проблема стоит не столь остро. Мощные полевые транзисторы (как n-канальные, так и p-канальные) способны переключать напряжения до нескольких тысяч вольт, что и является причиной SEGR. В обычном режиме на затвор транзистора подается напряжение, меньшее пробивного, указанного в паспорте на изделие, при этом напряженность электрического поля в диэлектрике мала, и эффекта SEGR не происходит. Надо заметить, что в данных условиях вероятность SEGR не зависит от напряжения, приложенного к стоку, а определяется только смещением на затворе.

Рис. 5.5. Процесс сбора заряда на границе Si-SiO₂ в мощном МОП-транзисторе при попадании в него тяжелой заряженной частицы [20]

Попадание тяжелой заряженной частицы в область подзатворного диэлектрика приводит к двум эффектам [95, 96]:

• в результате образования и сбора электронно-дырочных пар на границе раздела диэлектрик–полупроводник увеличивается напряженность электрического поля в изоляторе;

• напряжение, приложенное к стоку полевого транзистора, оказывается на несколько пикосекунд приложенным к диэлектрику, что увеличивает напряженность электрического поля в последнем.

Физическая суть вышеперечисленных явлений заключается в следующем. Энергия, потерянная частицей при попадании в транзистор, идёт на образование электронно-дырочных пар в диэлектрике и в полупроводнике. Если к стоку полевого транзистора приложено положительное напряжение, то электронно-дырочные пары разделяются. Дырки начинают двигаться к затвору (если на него подано отрицательное закрывающее напряжение) и к истоку, а электроны — к стоку (см. рис. 5.5). Благодаря дыркам, накопленным в полупроводнике на границе раздела диэлектрик–полупроводник, и противоположному по знаку заряду в подзатворном диэлектрике, напряженность электрического поля в диэлектрике возрастает. При этом часть напряжения сток-исток прикладывается к диэлектрику. Такая напряженность сохраняется в течение нескольких пикосекунд, и, если величина напряжённости больше 10 МВ/см, то происходит пробой (SEGR). Доказано, что вероятность SEGR зависит от энергии частицы, от места и угла её попадания, от напряжения на затворе и стоке [95–98].

Одиночный эффект вторичного пробоя в моп-транзисторах (ses)

Одиночный эффект вторичного пробоя в МОП-транзисторах (SES) — это эффект вторичного пробоя паразитной биполярной n-p-n-структуры n-канального МОП-транзистора, вызванный воздействием ТЗЧ.

Таблица 5.1

Сравнение характеристик эффектов SES и SEL

Критерий сравнения	SES	SEL
Локализация в КМОП ИС	Паразитная биполярная трехслойная n-p-n-структура	Паразитная биполярная четырехслойная тиристорная структура
Цепь возникновения избыточного тока	От истока к стоку вдоль канала n -канального МОП транзистора	От истока р-канального к истоку n -канального МОП транзистора
Величина избыточного тока	100 мА	100 мА
Метод подавления эффекта	Отключение напряжения питания. Изменение полярности напряжения на затворе	Отключение напряжения питания

SES проявляется как резкое увеличение тока в цепи сток исток МОП-транзистора, что приводит к резкому увеличению тока потребления в цепи питания ИС (аналогично тиристорному эффекту). Сравнение основных особенностей эффектов SES и SEL представлено в табл. 5.1.

Одиночный эффект вторичного пробоя в МОП-транзисторах (SES) наблюдали в ИС фирмы Harris различных функциональных классов, выполненных в рамках радиационно-стойкой КМОП-технологии [99], а также в ИС статического ОЗУ, выполненного по КМОП-КНИ-технологии с топологическими нормами 0,6–1,2 мкм [100].