Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
экспериментальными данными [46-48].
в.4.4. Умножение носителей и зарядка окисла
В длинноканальных приборах при достаточно высоком напряжении на стоке в
области отсечки у границы канала со стоком происходит слабый лавинный
пробой. Генерированные при этом электроны сразу же уходят в сток, а
генерированные дырки коллектируются подложкой, создавая ток подложки IBS
. Зависимость этого тока от напряжения на затворе в длинноканальном
приборе с L = 10 мкм приведена на рис. 46 [49]. Здесь показаны также
полный ток стока /D транзистора и генерационно-рекомбинационный ток в
области обеднения. Диапазон изменения тока на рис. 46 перекрывает все
характерные режимы
\ 10~6
10-ю
10'"
1Q~t2
рекомбинационный ток ________1________!-----
? Ю /У
Рис. 46. Зависимость тока стока и тока подложки в длинноканальном МОП-
транзисторе от напряжения на затворе [49].
0
М ОП-трантсторы
63
работы прибора (подпороговый участок, линейную область я Насыщение). При
увеличении напряжения на затворе ток подложки JBS сначала увеличивается,
а затем, проходя через максимум, снова уменьшается. Такое поведение тока
можно
объяснить следующим образом. Предположим для простоты, что ударная
ионизация происходит однородно по длине области отсечки канала AL. Тогда
для тока подложки IBS можно написать
где а - коэффициент ударной ионизации, т. е. число электронно* дырочных
пар, генерируемых электроном на единице длины. При заданном напряжении на
стоке и при увеличении VG одновременно увеличиваются ток ID и напряжение
Однако с ро-
стом Уд sat уменьшается поверхностное поле в области отсечки (VD-
V^DsatVL, что, естественно, приводит к уменьшению а, Следовательно,
имеются два противоположных фактора: 1) рост /D обусловливает увеличение
IBS при малых VG и 2) уменьшение а приводит к снижению 1ВЬ при больших
напряжениях на затворе. Максимуму IBS соответствует напряжение на
затворе, при котором действие обоих факторов сбалансировано.
В короткоканальных приборах возникает дополнительный эффект,
обусловленный током дырок, генерированных в области пробоя. Дело в том,
что при малом расстоянии между стоком и истоком и при достаточном
напряжении стока VD значительная часть этих дырок увлекается
электрическим полем в исток, а не в подложку (рис. 47) 150]. Встречая на
пути энергетический барьер п+-^-перехода истока, дырки накапливаются у
его внешней границы и "открывают" переход. В результате исток начинает
инжектировать в объем подложки электроны, которые коллекти-руются стоком.
Все это представляет собой механизм "включения" паразитного биполярного
п-р-п (исток-подложка-сток)-тран-зистора в короткоканальных приборах.
Ясно, что развитие этого процесса приводит к электрическому пробою
структуры, начало которого определяется условием
Здесь <хпрп - коэффициент усиления тока биполярного транзистора в схеме с
общей базой:
где Lg - эффективная толщина базы, равная по порядку величины длине
затвора, a Lm - диффузионная длина в подложке. Коэффициент умножения М
можно записать в виде
Abs = ItfxAL,
(100)
(101)
(102)
64
Глава 8
где BVCE0 - напряжение пробоя биполярного транзистора в схеме с общим
эмиттером и разомкнутой базой, a Vi)SUb - напряжение пробоя перехода
сток-подложка. Из выражений (101)-(103) для результирующего напряжения
пробоя Коротко-канального МОП-транзистора получим
На рис. 48 приведены результаты измерений напряжения пробоя в структурах
с различной длиной канала L Удовлетворительное согласие этих данных с
результатами расчета по формуле (104) получается при п 5,43. Различие
пробивных напряжений структур с различной глубиной стокового перехода
можно объяснить зависимостью VDsub от кривизны перехода (гл. 2).
Другим эффектом, существенным для работы короткоканальных приборов,
который возникает при больших полях, является зарядка окисла [51 ].
Оказывается, что при высоких продольных электрических полях часть
электронов, двигаясь в канале, разогревается до энергии, достаточной для
преодоления энергетического барьера на границе Si-Si02 (3,1 эВ), и
инжектируется в окисел (рис. 49 (вставка)). Горячие электроны могут
инжектироваться в окисел также из электронно-дырочной плазмы лавинного
пробоя в области отсечки канала у границы со стоком. Кроме того, в Si02
могут инжектироваться электроны, термически гене-
(104)
*
8S
Рис. 47. Эффект паразитного биполярного транзистора [50],
МОП-транзисторы
65
Рис. 48. Зависимость напряжения пробоя от длины затвора, обусловленная
эффектом паразитного биполярного транзистора [50].
рированные в объеме подложки и разогретые большим поперечным
электрическим полем на пути к границе раздела. Влияние инжекции горячих
электронов в окисел на свойства МОП-транзистора показано на рис. 49.
Отметим, что, во-первых, пороговое напряжение при зарядке окисла
становится более положительным и, во-вторых, снижается крутизна МОП-
транзистора (меньший наклон /-F-зависимости) вследствие уменьшения
подвижно-
Phg, 49. Процессы, обусловливающие зарядку окисла и результирующее
