ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ ПТШ НА ВАХ И КРИТЕРИАЛЬНУЮ ЗАВИСИМОСТЬ ВУНША-БЕЛЛА

January 20, 2013 by admin Комментировать »

Ахрамович Л. Н., Зуев С. А., Старостенко В. В., Терещенко В. Ю. Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского пр. Вернадського, 4, г. Симферополь, 95007, Украина e-mail: sa_zuev@tnu.crimea.ua Чурюмов Г. И.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники Пр. Ленина, 14, г. Харьков, 61166, Украина e-mail: churyumov@kture. kharkov. ua Борисов A. A., Петров A. M.

ΦΓΎΠ 22 ЦНИИ Минобороны России, 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, соответствующей температуре плавления Au – подложки затвора.

I.                                       Введение

Воздействие внешних импульсных электромагнитных полей (ИЭМП) на РЭА приводит к тому, что к приборам, составляющим элементную базу, прикпа- дываются дополнительные напряжения, приводящие к напряженным токовым режимам, сбоям и катастрофическим отказам приборов. В качестве характеристики стойкости дискретных приборов используется критерий Вунша-Белла [1, 2]. В [3] показано, что для ПТШ зависимость Вунша-Белла выполняется не для удельной поверхностной мощности тока, а для удельной объемной мощности P/V = f(x), τ – длительность импульса напряжения, при которой прибор выходит из строя. Расчеты, с использованием численной модели ПТШ на Si и GaAs [4], были проведены в предположении однородности структуры активной области.

Наличие дефектов в виде неоднородности концентрации примесей в канале транзистора может приводить к изменению как его ВАХ, так и пороговых значений пробойного напряжения. Наличие неоднородностей различного типа, в виде участка с избыточной либо недостаточной плотностью носителей в области канала, может оказывать разное влияние на характеристики транзистора.

Целью данной работы является исследование с помощью численной модели [4] влияния неоднородности активной области ПТШ на такие характеристики в напряженных токовых режимах как ВАХ и критериальная зависимость Вунша-Белла.

II.                              Основная часть

При проведении численного эксперимента использовалась модель ПТШ [4] со следующей геометрией: длина затвора – 0,2мкм, активные области истока и стока – одинаковы, размеры остальных областей указаны на рис.1, длина канала составляла 1мкм. Затвор, материал металлизации – Au с подслоем из W, находился посредине канала. Начальная температура кристалла 293 К. Уровни легирования слоев Si:            – буферный слой   –     10^^          м’^, пканал – 10^^ м’^ ,         –              контактный           слой       –              3-10^^                                      м’^         .

В центре канала транзистора искусственно задавался дефект виде области размером до 20 % с избыточным (150% – 1,5-10^^м’^) либо недостаточным (70 % – 7 · 10^^ м’^ ) легированием относительно η.

Рис. 1. Топология моделируемого ПТШ.

Fig. 1. Geometry of Schottky FET

В качестве начальных условий задавалось соответствующее легированию распределение носителей тока. После того, как в процессе моделирования формировалась реальная функция распределения, вкпючался импульс поля в виде функции Хевисайда, который имитировал воздействие на прибор ИЭМП.

Рис. 2. Выходные характеристики ПТШ.

Fig. 2. Output characteristics of Schottky FET

Получены вольтамперные характеристики моделируемого прибора при разных уровнях легирования области внутриканальной неоднородности (рис.2). Расчеты проводились вплоть до наступления пробоя. Фиксировалось время выхода транзистора из строя при различных напряжениях пробоя. Соответствующие зависимости приведены на рис. 3.

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 лримесей. В этом случае крутизна характеристики несколько выше, стоковый ток больше. Увеличение тока стока в области рабочих налряжений, в случае дефекта с избыточным легированием, обусловлено долол- нительной генерацией электронов из области дефекта. Однако возросшее число рассеяний в канале лриводит к увеличению коэффициента шума и изгибу ло- лочки ВАХ лри рабочих налряжениях (рис.2). Лавинный лробой в данном случае начинается раньше, зарождение лавины лроисходит в области дефекта, лриводит к быстрому лерегреву всей зоны канал-сток и катастрофическому отказу. Данные выводы лод- тверждаются и лолученными критериальными зависимостями Вунша-Белла. Кривая 2 на рис.З. соответствует однородному каналу, а кривая 1 лолучена с учетом дефекта в виде области с избыточным легированием в канале, лри этом время выхода транзистора из строя меньше чем в случае однородного канала.

При наличии дефекта в виде области с недостаточным легированием, увеличение тока стока (кривые 5, 6 на рис.2) обусловлено увеличением длины свободного лролета носителей тока в канале. Электроны лролетая канал лрактически не ислытывают столкновений с ионами лримеси, соответственно, время релаксации имлульса больше и они услевают набрать большую энергию. В результате лавинный лробой начинается в области стока, неравновесные электроны услевают быстро лоласть на сток, токовый шнур лолучается коротким, и лробой не несет столь резкий и критический характер (кривая 3 на рис.З.). Время выхода транзистора из строя в этом случае больше, чем в двух других. В области рабочих налряжений наличие дефекта с недостаточным легированием лриводит к ухудшению чувствительности транзистора (кривые 5, 6 на рис.2).

Рис. 3. Зависимости мощности пробоя ПТШ от длительности импульса.

Fig. 3. Threshold Failure Levels of Schottky FET

III.                                  Заключение

Наличие неоднородности в канале транзистора лриводит к ухудшению усилительных характеристик, снижает лороговое налряжение лробоя, однако наличие дефекта в виде обедненной области в канале лриводит к более медленному течению лробоя и транзистор может выдержать внешнее воздействие большее время.

IV.                           Список литературы

[1] D. С. Wunsch, R. R. Bell. Determination of Threshold Failure Levels of Semiconductor Diodes and Transistor Due to Pulsed Voltage // IEEE Trans. On Nucl. Sci. – 1968. NS-15, N6. – P.244-256.

[2] J. Antlnone. Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. 1986, New York. – p.387.

[37 Зуев С. Λ., Старостенко В. В., Терещенко В. Ю., Чурю- мое Г. И., УнжаковД. А., Гоигорьев Е. В. Лавинный пробой в riTLU на GaAs по результатам численного моделирования // Прикладная радиоэлектроника. – 2005. – T.4, № 3.-С.353-357.

[4]Зуев С. А., Старостенко В. В., Терещенко В. Ю., Чурюмов Г. И., Шадрин А. А. Модель flTLU субмикронных размеров на кремнии. Ч.1, 2 // Радиоэлектроника и информатика, № 3, 4. – 2004. – С. 47 – 53, С.17-21

INFLUENCES OF THE SILICON SCHOTTKI FET ACTIVE AREA IRREGULARITY UPON VOLT-AMPERE CHARACTERISTICS AND WUNSCH-BELL DEPENDENCY

Akhramovich L. N., Zuev S. A.,

Starostenko V. V., Tereschenko V. Y.

Vernadsky Tavrical National University 4, Vernadski Str, Simferopol, 95007, Ukraine e-mail: starostenko@crimea.com Churyumov G. I.,

Harkiv National University of Radio Electronics 14, Lenin Str, Harkiv, 61166, Ukraine e-mail: churyumov@kture. kharkov. ua Borisov A. A., Petrov A. M.

PGUP 22 CSII Department of Military of Russia e-mail: starostenko@crimea. com

Abstract – In the paper the results of numerical calculations of heterogeneity influence of active area silicon FET on development of electrothermal processes in a crystal ofthe transistor from the beginning of avalanche breakdown before catastrophic thermal breakdown of the device stepping at achievement of values of a lattice temperature in the current cord area, the appropriate temperature effusion Au of substrate are presented.

I.                                        Introduction

Influence of external pulse electromagnetic fields (PEF) on radio electronic equipment results to the additional voltage resulting to intense current modes, failures and catastrophic refusals of devices making element base. As stability characteristic of discrete devices is used criterion Wunsch-Bell [1, 2]. [3] shows that Schottky FET dependency Wunsch-Bell is executed for three- dimensional power P/V = f(x),x – duration ofthe voltage pulse, under which transistor is damaged. Presence defect in the manner of the concentration implant irregularity in channel of the transistor can bring to change of its voltage-current characteristics and breakdown voltage value. The purpose of given work is a study of the active area Schottky FET irregularity influence on voltage- current characteristics and Wunsch-Bell dependency.

II.                                       Main Part

In the numerical experiment model of FET [4] with the following geometry was used: gate length – 0.2 mkm, active areas of the drain and source – alike, sizes of the rest areas is specified on Fig. 1, length ofthe channel equal ^mkm. Gate was found in the middle ofthe channel, material is Au with thin skin of W. Initial temperature of lattice is 293 K. The implant level of

layers Si: n“ – a buffer layer-10^^ m’^, n -a channel-10^^ m’^, n^

–   layer -3×10^^ m’^. Defect was artificially assigned in the centre the channel in the manner of area by size before 20 % with surplus (150% – 1,5×10^^ M’^) or insufficient (70% – 7×10^^ m’^) doped level comparatively n .

The characteristics of transistor are obtained at miscellaneous doped levels of irregularity in channel (Fig. 2). The calculations were conducted up to approach breakdown. Time of the transistors’ damage was fixed under different voltages breakdown. The corresponding dependencies are brought on Fig. 3.

III.                                      Conclusion

Presence of irregularity in transistors channel brings to deterioration amplifier characteristics and reduces the breakdown voltage. Presence of the defect in the spatial charge area in channel brings to slow breakdown current and transistor can keep the external influence for greater time.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты