Эта формула хорошо описывает экспериментальную зависимость тока подложки от электрических смещений на затворе и сто-
ке (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Зависимости тока подложки от затворного напряжения при разных смещениях на стоке
Эта зависимость имеет ярко выраженный максимум. При малых VGS ток подложки мал, поскольку мал ток канала, а при увеличе-
нии VGS при заданном VDS ток подложки снижается из-за уменьшения электрического поля в районе стока.
6.7. 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
(рис. 6.8).
162
Рис. 6.8. Схема резистивного механизма понижения эффективного порогового напряжения МОПТ
Этот механизм обусловлен тем, что резистивное падение напряжения между активной областью канала и контактом подложки, с электрической точки зрения, 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.
Всхемах КНИ («кремний-на-изоляторе») технологий, в которых активная область (т.н. «тело») КНИ транзистора изолирована от подложки слоем скрытого окисла, реализуется емкостной 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, т.н. «кинков»
(рис. 6.9).
Влюбом случае инжекция дырок в подложку может приводить
кзапуску механизма паразитного биполярного транзистора. Если
прямое смещение между подложкой и истоком оказывается VBS ≥0.6 В, то электроны начинают инжектироваться из истока и через подложку течь в сток, увеличивая ток стока и уменьшая выходное сопротивлении ROUT .
163
Рис. 6.9. Кинк-эффект на выходных ВАХ КНИ МОПТ для разных значений напряжения на затворе
Следует отметить, что МОПТ можно рассматривать как плохой (низкий коэффициент усиления) биполярный транзистор с длиной базы, приблизительно соответствующей длине канала LB Leff в
режиме отсечки.
6.8. 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 активации ударной ионизации составляет εi~ 1.4 эВ, поэтому ток подложки из-за ударной ионизации можно оценить по формуле для «удачливых» носителей
|
|
|
|
|
|
|
~1.4 |
эB |
|
|
|
|
Bi |
|
|
|
|
} |
|
|
|
|
|
|
|
εi |
|
|
|
|||
|
− |
|
|
= C ID exp |
|
− |
|
|
, |
(6.8.1) |
ISUB = C ID exp |
|
|
|
λe Em |
||||||
|
|
Em |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
{ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8нм |
|
|
|
|
|
|
164 |
|
|
|
|
|
|
|
где λe – длина пробега по энергии в кремнии (~ 7-8 нм), Em – мак-
симальное значение электрического поля в канале, C – эмпирическая константа.
Энергия активации для заброса электронов в зону проводимости окисла εB~ 3.1 эВ, поэтому ток в затвор можно оценить с помощью такого же подхода, как и в (6.8.1):
|
|
εB |
|
|
|
− |
|
(6.8.2) |
|
Igate = C' ID exp |
|
. |
||
|
|
λe Em |
|
|
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…10-12 А, так что его трудно измерить.
Скорость деградации транзистора в сильных полях – это скорость генерации дефектов на границе раздела Si-SiO2 («поверхностных состояний»). Энергия активации для процесса генерации де-
фектов на границе раздела окисла εIT ~ 4…5 эВ. Тогда скорость ге-
нерации поверхностных состояний |
Git будет степенным образом |
|||||||||||||
зависеть от тока подложки |
|
|
|
|
εIT |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
εIT |
|
|
εi |
|
εi |
εIT |
εB |
3 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
GIT exp |
− |
|
|
|
exp |
− |
|
|
|
|
(ISUB ) |
|
≈ (ISUB ) . |
(6.8.3) |
λ E |
|
λ E |
|
|
|
|||||||||
|
|
e |
m |
|
|
e |
m |
|
|
|
|
|
||
Отказ (обычно параметрический, а не функциональный) наступает, когда количество поверхностных состояний достигает неко-
торого критического значения QITcrit . Тогда срок службы МОПТ за счет деградации горячими носителями τHCE можно оценить с по-
мощью полуэмпирического выражения с некоторой эмпирической константой C
τHCE = |
QITcrit |
= C ISUB−3 . |
(6.8.4) |
|
|||
|
GIT |
|
|
В статическом режиме (DC) ток в КМОП схемах 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 большие электрические поля.
165