5.6. Влияние тока подложки на работу мопт

Ток, текущий в подложку, может существенно повлиять на работу транзистора. Это связано с тем, что существует несколько механизмов уменьшения эффективного порогового напряжения за счет дырок, инжектированных в подложку.

В КМОП схемах объемных технологий (когда дырочный ток уходит на контакт подложки) реализуется резистивный механизм. Этот механизм обусловлен тем, что падение напряжения на распределенном сопротивлении подложки между активной областью канала и контактом подложки, с электрической точки зрения, эквивалентно прикладыванию прямого смещения между истоком и подложкой. Это, с одной стороны, может приводить к открыванию перехода исток-подложка; с другой стороны, это уменьшает пороговое напряжения транзистора.

В схемах КНИ («кремний-на-изоляторе») технологий, в которых активная область (так называемое «тело») КНИ транзистора изолирована от подложки слоем скрытого окисла, реализуется емкостный эффект. Положительный заряд дырок накапливается в теле КНИ транзистора, повышая его потенциал, что эквивалентно приложению положительного смещения на тело относительно истока.

Это приводит к уменьшению порогового напряжения и появлению на выходных ВАХ характерных изломов, так называемых «кинков» (рис. 5.5).

Инжекция дырок в подложку может приводить также к запуску механизма паразитного биполярного транзистора. Если прямое смещение V_BS между подложкой и истоком оказывается больше ~ 0,6В, то электроны начинают инжектироваться из истока и через подложку течь в сток, увеличивая ток стока и уменьшая выходное сопротивлении R_OUT .

Рис. 5.5. Кинк-эффект на выходных ВАХ КНИ МОПТ для разных значений напряжения на затворе

5.7. Влияние горячих носителей на срок службы мопт

Проблема предсказания процессов деградации от горячих носителей состоит в том, что эти процессы очень медленные. Для ускорения эксперимента необходимо максимизировать скорость деградации. Проблема в том, что измерять скорость деградации сложно, но можно легко измерять ток подложки. Хотя ток подложки не влияет впрямую на деградацию, но он является ее индикатором.

Энергия ударной ионизации составляет ~ 1,4эВ, поэтому ток подложки из-за ударной ионизации можно оценить по формуле (5.5.3) для удачливых носителей

, (5.7.1)

где - длина пробега по энергии в кремнии (~7-8 нм), Е_т - максимальное значение электрического поля в канале, А - эмпирическая константа.

Энергия активации для заброса электронов в зону проводимости окисла ~ 3,1эВ, поэтому ток в затвор можно оценить с помощью такого же подхода, как и в (5.7.1):

. (5.7.2)

Конечно же, из-за большего значения энергетического барьера активационный ток затвора на несколько порядков ниже, чем ток подложки. Обычно затворный ток оказывается меньше, чем 10^-11... 10^-12А, так что его трудно измерить.

Скорость деградации транзистора в сильных полях – это скорость генерации дефектов на границе раздела Si-SiО₂ (поверхностных состояний). Энергия активации для процесса генерации дефектов на границе раздела окисла ~ 4...5 эВ. Тогда скорость генерации поверхностных состояний G_it будет степенным образом зависеть от тока подложки

(5.7.3)

Отказ (обычно параметрический, а не функциональный) наступает, когда количество поверхностных состояний достигает некоторого критического значения N_ITcrit. Тогда срок службы МОПТ за счет деградации горячими носителями Т_НСЕ можно оценить с помощью полуэмпирического выражения с некоторой эмпирической константой С

. (5.7.4)

В статическом режиме ток в КМОП схемах практически не течет, поэтому нет никаких эффектов горячих носителей. Деградация имеет место только в момент переключения, когда через структуру течет ток и в каналах обоих транзисторов создаются большие электрические поля.

Эффекты горячих носителей по-разному проявляют себя в каналах разного типа:

(1) Эти эффекты заметно сильнее выражены в n-канальных МОПТ по сравнению с p-канальными МОПТ, что обусловлено разной величиной подвижности в канале.

2. Для транзисторов обоих типов эффекты горячих носителей чаще всего приводят к отрицательной зарядке окисла. Поэтому пороговое напряжение смещается в сторону более положительных значений. Для n-канальных приборов это уменьшает ток, а для p-канальных – увеличивает (рис.).

2. Для приборов с нанометровыми длинами затвора (<0,18 мкм) наблюдается также инжекция дырок в окисел, что может привести к сдвигу порога в положительную сторону и уменьшению тока стока.