НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (НИЯУ МИФИ)

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ: «КОНВЕРСИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ В БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ»

Студент: Бу-Хасан К.Б.

Группа А08-11

Научный руководитель: Першенков В.С.

Москва 2012

Содержание

1) Введение

2) Общие положения и основные допущения

3) Конверсионная модель образования поверхностных состояний

4) Подстроечные коэффициенты

5) Использование степенной функции отклика

6) Выбор темпиратуры для моделирования эффекта низкой интенсивности

7) Проверка модели

8) Список литературы

1. Введение

При воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения происходит аномальное уменьшение (до порядка и выше) коэффициента усиления биполярных транзисторов, как NPN так и PNP типа, по сравнению с облучением высокой интенсивностью при одинаковой накопленной дозе. Этот эффект носит название эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах. В результате аппаратура на борту спутников, содержащая биполярные микросхемы или изготовленные по БиКМОП технологии, может выйти из строя ранее запланированного времени функционирования. Для прогнозирования десятилетнего пребывания микросхем на орбите необходимо использование источника излучения на 3-4 порядка большей интенсивности, чем интенсивность излучения в космосе, чтобы продолжительность лабораторного эксперимента составляла несколько часов. Создание эффективных методик прогнозирования требует разработки физической модели эффекта. Проблема касается не только биполярных микросхем. Радиационные эффекты в толстых окислах мощных NMOS транзисторах и толстых изолирующих окислах современных СБИС (эффекты появления утечки), имеют ту же природу, что и в пассивирующих окислах биполярных структур.

Основным недостатком предлагаемых физических моделей эффекта низкой интенсивности состоит в том, что многочисленные подстроечные (подгоночные) параметры, характеризующие кинетику процессов (сечения и темп захвата носителей, концентрация рекомбинационных центров и т.п.), задаются произвольно и не могут быть экстрагированы непосредственно из эксперимента. Поэтому модели могут дать лишь качественную характеристику процесса накопления поверхностных состояний при больших и малых интенсивностях. Это затрудняет практическое использование моделей в целях прогнозирования.

2. Общие положения и основные допущения

2.1. Деградация коэффициента усиления биполярных транзисторов происходит за счет увеличения периферийной поверхностной составляющей тока рекомбинации базы. Ток поверхностной рекомбинации определяется плотностью поверхностных состояний и поверхностным потенциалом на границе раздела окисел - полупроводник.

Увеличение рекомбинационных потерь связано с накоплением положительного заряда в объеме толстого пассивирующего окисла и встраиванием поверхностных состояний на границе раздела окисел-полупроводник. В данной модели предполагается, что аномальная деградация коэффициента усиления при малых интенсивностях определяется зависимостью темпа накопления поверхностных состояний от мощности дозы ионизирующего излучения. Считается, что объемный заряд в окисле опосредованно влияет на процесс накопления поверхностных состояний. Основой для данного предположения является тот факт, что в толстом окисле при слабом электрическом поле объемный заряд распределен по всему пространству пассивирующего окисла, и его центроид может быть локализован далеко от границы раздела окисел-полупроводник, слабо влияя на поверхностный потенциал. Данное предположение означает, что эффект низкой интенсивности связан лишь с особенностями накопления радиационно-индуцированных поверхностных состояний, т.е. приращение тока базы пропорционально приращению плотности поверхностных состояний.

2. Существует несколько моделей накопления радиационно-индуцированных поверхностных состояний. Наиболее разработанной является так называемая «водородная» модель. Согласно этой модели в окисле под действием ионизирующего излучения образуются ионы водорода, которые достигая границы окисел-полупроводник депассивируют поверхность, образуя поверхностные состояния. Большинство последних моделей эффекта низкой интенсивности основываются именно на «водородной» концепции. Другой моделью является, так называемая «конверсионная» модель. Смысл этой модели состоит в том, что генерация поверхностных состояний происходит при нейтрализации положительного заряда электронами из полупроводника, т.е. за счет конверсии отжигаемого положительного заряда в поверхностные состояния. Понятие «отжиг» в данном случае имеет более широкий смысл, чем просто термический отжиг. Нейтрализация положительного заряда может происходить за счет туннелирования электронов, полевого или термополевого эффекта. Водород в данном случае играет роль катализатора. В данной работе полагается, что накопление поверхностных состояний происходит по конверсионной модели.

3. Согласно теории отжига радиационно-индуцированного положительного заряда энергетический уровень положительно заряженных ловушек располагается в нижней половине запрещенной зоны окисла. Для устранения противоречий, возникающих при рассмотрении так называемого обратимого отжига, предложена термотуннельная модель, согласно которой уровень ловушек, захватывающих положительный заряд, лежит на уровне запрещенной зоны кремния. Термическая вибрация решетки приводит к спонтанному изменению энергии ловушек. При этом появляется возможность взаимодействия положительного заряда на ловушках с электронами, туннелирующими из кремниевой подложки. В результате этого процесса происходит нейтрализация («отжиг») положительного заряда и, согласно конверсионной модели, образование поверхностной ловушки в запрещенной зоне кремния. В данной работе полагается, что отжиг накопленного положительного заряда происходит по механизму «термического возбуждения – туннелирования».