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.