области ϕS < ϕT ln (Na / ni ). Поэтому при обычно используемом

уровне легирования базы Na <1017 см-3 величина ϕS < 0, 4 В, т.е.

изменением ширины области объемного заряда под действием заряда в окисле в первом приближении можно пренебречь и считать ширину базы в приграничных областях равной Wб. Следовательно, изменение плотности тока эмиттера по координате х связано, главным образом, с изменением граничной концентрации рэ (или пэ). Для количественной оценки влияния эффекта неравномерного распределения на полный ток инжектированных носителей рассмотрим удельную плотность тока, приходящуюся на единицу длины периметра, граничащего с окислом jS:

Очевидно, что ток эмиттера Iэ = bjS , где b – длина боковой

стороны, выходящей на окисел. Введем коэффициент М, характеризующий относительное увеличение тока эмиттера за счет неравномерного распределения плотности тока в приграничной области:

где jS0 – удельная плотность тока, при Qэф = 0.

Подставляя dx из (5.7) в (5.10), с учетом (5.1) нетрудно получить

Решение (5.12) может быть получено лишь численным методом. Методика выделения периферийной составляющей тока эмиттера аналогична методике, рассмотренной в работе 3.

Порядок выполнения работы

1.Снять зависимость Iк(Uэб) при Uкб = 0 для двух транзисторов с разным отношением периметра к площади.

2.Рассчитать m-фактор по зависимости Iк(Uэб).

51

3.Разделить компоненты коллекторного тока в приповерхностной области и объеме.

4.Рассчитать m-фактор для полученных компонент.

5.Снять зависимость Iк(Uкб) при Uэб = const для двух транзи-

сторов с разным отношением периметра к площади.

6.Разделить компоненты коллекторного тока.

7.Повторить выполнение пп. 1-4 для облученной структуры.

Обработка результатов

1.Проанализировать данные об электрофизических параметрах исследуемых структур.

2.Объяснить различие m-факторов у поверхностной и объемной компонент коллекторного тока.

3.Рассчитать зависимость Iк(Uкб) для поверхностной и объемной компоненты.

4.Сравнить экспериментальные результаты с расчетными и указать возможные причины расхождения.

5.Оценить величину изменения заряда в окисле под действием ионизирующего излучения.

Требования к отчету

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

•титульный лист;

•краткое описание порядка выполнения работы;

•пояснение метода разделения приповерхностных и объемных компонент коллекторного тока;

•расчетные формулы для вычисления тока коллектора с учетом заряда в окисле;

•графики зависимостей Iк(Uкб) (теоретические и экспериментальные) для каждой из компонент коллекторного тока);

•таблицу со значениями m-факторов для поверхностной и объемной компонент;

52

•графики зависимостей Iк(Uкб) (теоретические и экспериментальные) для каждой из компонент коллекторного тока;

•анализ полученных результатов. Перечень возможных причин расхождения расчетных и экспериментальных данных.

Контрольные вопросы

1.Нарисовать исследуемую структуру с изопланарной изоляцией.

2.Как изменяется приповерхностный потенциал с учетом положительного заряда в окисле?

3.Как влияет заряд в окисле на ширину базовой области транзистора у поверхности?

4.Пояснить методику разделения приповерхностной и объемной компонент коллекторного тока.

5.Как изменяется перераспределение тока в структуре с изопланарной изоляцией после воздействия ионизирующего излучения?

Рекомендуемая литература

Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные рекомбинационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988.

53

Работа 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО ЗАРЯДА В ОКИСЛЕ И НА ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЯХ

ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА

Цель работы: изучение методики разделения заряда в окисле и на поверхностных состояниях границы раздела кремний двуокись кремния, определение соответствующих зарядов в МОП-структуре.

Теоретическая часть

Заряды в окисленном кремнии оказывают существенное влияние на свойства МОП-транзисторов. В настоящее время принята следующая классификация зарядов в системе.

Заряд, захваченный поверхностными ловушками, кото-

рый представляет собой заряд электронных состояний, локализованных на границе раздела Si-Si02. Поверхностные состояния обусловлены избыточными атомами кремния, избыточным кислородом или примесными атомами.

Фиксированный заряд окисла, который расположен в окисле непосредственно у границы раздела. Величина этого заряда остается практически постоянной во всей области электрических полей, характерных для рабочего диапазона напряжений в МОП-структурах.

Заряд, захваченный в окисле. Этот заряд возникает, напри-

мер, при облучении структур ионизирующим излучением или инжекции горячих электронов в диэлектрик. Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены по толщине слоя окисла.

Заряд подвижных ионов (например, ионов натрия), который может перемещаться в слое окисла под действием поля затвора.

Величину этих зарядов Q обычно относят к единице площа-

ди границы раздела, т.е. измеряют в кулонах на сантиметр в минус второй степени (Кл·см-2). Часто используют соответствую-

54

щие поверхностные плотности (число зарядов на 1 см2) N = Q / q . При анализе МОП-транзисторов часто рассматрива-

ются два заряда: эффективный заряд в окисле Qot (Not ) (отражающий совместное влияние трех последних зарядов) и заряд поверхностных состояний Qit (Nit ) . Воздействие ионизирующе-

го излучения приводит к росту Qot и Qit. Это отражается на электрических характеристиках структур: изменяется пороговое напряжение и крутизна МОП-приборов. Сдвиг порогового напряжения связан с суммарным воздействием Qot и Qit. Изменение крутизны происходит в основном за счет изменения плотности заряда поверхностных состояний. Строго говоря, величина Qot также влияет на изменение крутизны, но в первом приближении этой зависимостью можно пренебречь. Подвижность носителей в канале при воздействии ионизирующего излучения изменяется следующим образом:

δNit – приращение плотности поверхностных состояний за счет

образования радиационных дефектов; α – подгоночный параметр. Для n-канального МОП-транзистора (рис. 6.1) полный баланс заряда с учетом приращения зарядов в окисле и на поверхностных состояниях имеет вид:

55

где Z – ширина канала; Iс – ток стока.

Подставляя (6.2) в (6.3) и переходя к интегрированию, после умножения обоих частей равенства на μ0/L, получаем

Первый член в правой части (6.4) соответствует ВАХ до облучения

Левая часть (6.4) с учетом (6.1) равна Iс (1 + αδNit ) . Нетрудно получить

Рассматривая сдвиг порогового напряжения как изменение напряжения затвора при фиксированном токе стока, находим

Таким образом, уравнения (6.7) и (6.8) можно рассматривать как два уравнения с двумя неизвестными δNot и δNit . Решение

56