УДК 621.382.323 АХРАМОВИЧ Л.Н., ЗУЕВ С.А., СТАРОСТЕНКО В.В., ТЕРЕЩЕНКО В.Ю.

УДК 621.382.323
ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ ПТШ НА ВАХ И
КРИТЕРИАЛЬНУЮ ЗАВИСИМОСТЬ ВУНША-БЕЛЛА
АХРАМОВИЧ Л.Н., ЗУЕВ С.А., СТАРОСТЕНКО В.В., ТЕРЕЩЕНКО В.Ю.
Таврический национальный университет, кафедра радиофизики, проспект Вернадского, 4,
Симферополь, 95007, e-mail:starostenko@crimea.com
Аннотация - В работе приводятся результаты численных расчетов влияния
неоднородности активной области кремниевого ПТШ на развитие электротепловых
процессов в кристалле транзистора от начала лавинного пробоя до катастрофического
теплового пробоя прибора, наступающего при достижении значений температуры
решетки в области токового шнура, соответствующих температуре плавления Au –
подложки затвора.
1. Введение
Воздействие внешних импульсных электромагнитных полей (ИЭМП) на РЭА
приводит к тому, что к приборам, составляющим элементную базу, прикладываются
дополнительные напряжения, приводящие к напряженным токовым режимам, сбоям в
работе РЭА, к катастрофическим отказам приборов. В качестве характеристики стойкости
дискретных приборов используется критерий Вунша-Белла [1, 2]. Данный критерий
представляет собой зависимость P/S = f (τ), где Р – мощность, рассеиваемая током,
проходящим через поперечное сечение S прибора, τ – длительность импульса напряжения,
при которой прибор выходит из строя. В [3] показано, что зависимость Вунша-Белла для
ПТШ с различными геометрическими размерами активных областей выполняется не для
удельной поверхностной мощности P/S тока, проходящего через прибор, а для удельной
объемной мощности P/V = f (τ). Расчеты, с использованием численной модели ПТШ на Si
и GaAs [4], были проведены в предположении однородности структуры активной области.
Наличие дефектов в виде неоднородности плотности примесей в канале транзистора
может приводить к изменению как его ВАХ, так и пороговых значений пробойного
напряжения. Наличие неоднородностей различного типа, таких как, область с избыточной
либо недостаточной плотностью носителей в области канала, может оказывать разное
влияние на характеристики транзистора. Представляют интерес исследования влияния
неоднородности в активной области на интегральные и дифференциальные
характеристики ПТШ в напряженных токовых режимах.
Целью данной работы является исследование влияния неоднородности активной
области ПТШ на интегральные (ВАХ, критериальная зависимость Вунша-Белла) и
дифференциальные (лавинные и тепловые) характеристики с помощью численной модели
[4].
2. Основная часть.
При проведении численного эксперимента использовалась модель ПТШ [4] со
следующей геометрией: длина затвора – 0.2 мкм, активные области истока и стока –
одинаковы, размеры остальных областей указаны на рис.1, длина канала составляла 1
мкм. Затвор, материал металлизации – Au с подслоем из W, находился посредине канала.
Начальная температура кристалла 293 К. Уровни легирования слоев Si: n  - буферный
слой – 1021 м-3 , n - канал – 1023 м-3, n  - контактный слой – 3∙1023 м-3. В центре канала
транзистора искусственно задавался дефект виде области с избыточным (230% - 7∙1022 м-3)
либо недостаточным (50% - 1.5∙1023 м-3) легированием относительно n , занимающий 20%
канала.
В качестве начальных условий задавалось соответствующее легированию
распределение носителей тока с максвелловским разбросом по энергии. После нескольких
временных шагов, за которые формировалась функция распределения близкая к реальной,
включался импульс поля в виде функции Хевисайда, который имитировал воздействие на
прибор внешнего ИЭМП.
n0.5 мкм
0.35 мкм
n
0.2 мкм
+
n
n+
Рис.1. Топология моделируемого ПТШ.
В ходе численного эксперимента были получены вольтамперные характеристики
моделируемого прибора при разных уровнях легирования области внутриканальной
неоднородности (рис.2) вплоть до наступления пробоя. Время наступления пробоя при
различных напряжениях на стоке фиксировалось и интерпретировалось в зависимости
времени выхода транзистора из строя от приложенного напряжения либо мощности.
I, мкА
1 2345 6
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0,5
1
1,5
U, В
Рис.2. Выходные (стоковые) характеристики. Характеристики сняты при напряжениях
на затворе: -0,2В (кривые 1, 3, 5) и -0,6В (кривые 2, 4, 6). 3, 4 – однородный канал;1, 2 –
дефект виде области с чрезмерным легированием; 5, 6 – с недостаточным легированием.
Полученное семейство кривых, описывающих критериальные зависимости ВуншаБелла в базисе амплитуда импульса – время выхода прибора из строя для разных уровней
легирования представлено на рис.3.а. Время выхода ПТШ из строя обратно
пропорционально связано с уровнем легирования области внутриканальной
неоднородности. Аналогичная зависимость представлена для удельной мощности, при
которой ПТШ выходит из строя. Кривые, приведенные на рис.3.б представляют собой
критериальную зависимость Вунша-Белла для удельной мощности (P/м3).
Кривые 3, 4 на рис.2. соответствуют однородному каналу. Как видно, при напряжениях
свыше 1,2В начинается пробой транзистора, дальнейшее увеличение напряжения на стоке
приводит к катастрофическому отказу, обусловленному перегревом в области токового
шнура. Кривые 1, 2 получены с учетом неоднородности в канале, моделированной
внедрением в центр канала области с избыточной концентрацией примесей. Видно, что в
этом случае крутизна характеристики несколько выше и соответственно стоковый ток
больше. Как показал детальный анализ, увеличение тока стока в области рабочих
напряжений в случае дефекта с избыточным легированием обусловлено дополнительной
генерацией электронов из области дефекта. Однако увеличившееся число рассеяний в
канале приводит к существенному увеличению коэффициента шума и изгибу полочки
ВАХ (рис.2) при рабочих напряжениях. Лавинный пробой в данном случае начинается
раньше, причем зарождение лавины происходит в области дефекта, что приводит к
быстрому перегреву всей зоны канал-сток и катастрофическому отказу. Данные выводы
подтверждаются и полученными критериальными зависимостями Вунша-Белла. Кривая 2
на рис.3.а,б соответствует однородному каналу, а кривая 1 получена с учетом дефекта в
виде области с избыточным легированием в канале. Время выхода транзистора из строя в
случае наличия такого дефекта меньше чем в случае однородного канала.
P, кВт/см 3
U, В
а)
б)
3
3
2,5
2,5
2
2
1,5
1 2
1,5
3
3
1 2
1
1
0
200
400
600
t, пс
0
200
400
600
t, пс
Рис.3. Зависимости напряжения и мощности пробоя ПТШ от длительности импульса.
При наличии дефекта в виде области с недостаточным легированием, увеличение тока
стока (кривые 5, 6 на рис.2) обусловлено увеличением длины свободного пролета
носителей тока в канале. В этом случае электроны пролетая канал практически не
испытывают столкновений с ионами примеси, соответственно время релаксации импульса
больше, и они успевают набрать большую энергиею. В результате лавинный пробой
начинается, как и при наличии дефекта с избыточным легированием в канале, при более
низких напряжениях, чем в случае однородного канала. Он начинается в области стока,
неравновесные электроны успевают быстро попасть на сток, токовый шнур получается
коротким, и пробой не несет столь резкий и критический характер (кривая 3 на рис.3.а,б).
При этом время выхода транзистора из строя в результате пробоя выше, чем в двух других
случаях. В области рабочих напряжений наличие дефекта с недостаточным легированием
приводит к ухудшению чувствительности транзистора (кривые 5, 6 на рис.2).
3. Заключение.
Из полученных результатов видно, что наличие неоднородности в канале транзистора
приводит к ухудшению усилительных характеристик, снижает пороговое напряжение
пробоя, однако наличие дефекта в виде обедненной области в канале приводит к более
медленному течению пробоя и транзистор может выдержать внешнее воздействие
большее время.
4. Список литературы.
[1] Wunsch D.C., Bell R.R.. Determination Of Threshold Failure Of Semiconductor Diodes And
Transistors Due To Pullse Voltages // IEEE Trans., 1968, Vol. NS-15, № 6, P. 244-259.
[2] Atinone J. Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. - New York, 1986. - P. 387.
[3] Зуев С.А., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Унжаков Д.А.,
Григорьев Е.В. Лавинный пробой в ПТШ на GaAs по результатам численного
моделирования // Прикладная радиоэлектроника. – 2005. – Т.4, №3. – С.353 – 357.
[4] Зуев С.А., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Шадрин А.А. Модель ПТШ
субмикронных размеров на кремнии. Ч.1, 2 // Радиоэлектроника и информатика, №3, 4. –
2004. – С. 47 – 53, С.17-21.