1.4. Тиристорный эффект в комплементарных моп - схемах

Для того, чтобы сформировать в структуре микросхемы МОП - транзистора с каналами n- и p- типа, необходимо создать еще и изолированный «карман» с проводимостью противоположной проводимости подложки. На рис.1.6 показано сечение КМОП - структуры, сформированной в P - подложке. Получившаяся четырехслойная структура содержит три последовательно включенных p–n - перехода. Кроме МОП - транзисторов в ней присутствуют два паразитных биполярных транзистора n–p–n- и p–n–p- типов. Совмещенные коллекторные и базовые области биполярных транзисторов образуют тиристор.

Рис. 1.6. Сечение КМОП - структуры

Чтобы в этой структуре был возможен эффект «защелки», необходимо, чтобы произведение коэффициентов усиления по току двух биполярных транзисторов было больше единицы:

B_p-n-p  B_n-p-n  1 / (1.17)

Это условие почти всегда выполняется.

Борьба с тиристорным эффектом ведется путем шунтирования эмиттерных переходов, т. е. истоковых областей МОП - транзисторов. В структуре рис. 1.6 подложка соединена с общей шиной, а «карман» n- типа – с шиной питания. При работе схемы из стоковых областей МОП - транзисторов в подложку и «карман» инжектируются емкостные и гальванические токи. Если сопротивление подложки или «кармана» велико, то эти токи смещают p–n - переход истока (эмиттер) в прямом направлении, возникает инжекция неосновных носителей в «карман» или подложку (базу), и «защелка» срабатывает. «Защелка» действует в схеме как замыкание между шинами питания и заземления. Отказ схемы может быть кратковременным (до выключения питания) или катастрофическим (выгорание контактов). Микросхемы с тиристорным эффектом считаются бракованными. Этот эффект усиливается при повышенной температуре. Поэтому проверку микросхем на наличие «защелки» проводят при максимальной рабочей температуре.

1.5. Ударная ионизация в канале и обусловленный ею ток подложки

Насыщение скорости электронов в канале МОП - транзистора происходит, когда продольная составляющая электрического поля превышает величину 410⁴ В/см. Ударная ионизация происходит только в области с насыщенной дрейфовой скоростью носителей. Напряжение на участке канала с насыщенной дрейфовой скоростью равно (U_с – U_{c нас}), где U_{с нас} – напряжение, при котором достигается насыщение дрейфовой скорости носителей. В пределах нашей аналитической модели это напряжение соответствует напряжению перехода выходной ВАХ от крутого участка к пологому. Ток неосновных носителей, порожденных ударной ионизацией:

, (1.18)

где A_ион – масштабный коэффициент.

Для развития процесса ионизации необходима не только высокая напряженность электрического поля, но и достаточная протяженность участка с высоким полем. Напряжение в области насыщения скорости носителей должно быть не менее 2 В. Интеграл (1.18) аппроксимируется степенной функцией

. (1.19)

Эмпирический коэффициент n меняется от 8 до 9.

Эксперименты показывают, что ток ударной ионизации слабо зависит от параметров транзисторов и определяется только током в канале МОП - транзистора и напряжением на области с насыщенной скоростью носителей.

Ток ионизации достигает 1% от тока стока. Основные носители дают вклад в ток стока, неосновные инжектируются в подложку. Ток подложки зависит от напряжения стока согласно формуле (1.19). Зависимость тока подложки от напряжения на затворе имеет максимум в области малых токов стока (несколько процентов от максимального тока) (рис 1.7). В области малых токов ток ионизации растет вместе с током канала. С увеличением напряжения на затворе уменьшается величина (U_с – U_{c нас}), а ток ионизации резко уменьшается.

Рис. 1.7. Зависимость тока подложки от напряжения на затворе

МОП - транзистора

С уменьшением размеров МОП - транзистора напряженность поля в стоковой области канала возрастает, а напряжение питания должно снижаться так, чтобы ток ионизации в канале не возрастал.