Влияние ширины затвора на вольт-амперные характеристики и электротепловую стойкость ПТШ

УДК537.86

ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ ЗАТВОРА НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭЛЕКТРОТЕПЛОВУЮ СТОЙКОСТЬ ПТШ

2. Основные соотношения для модели ПТШ

В основу модели ПТШ положено кинетическое уравнение Больцмана [3, 4]. В качестве исходной в численно -аналитической модели была использована следующая система уравнений:

кинетическое уравнение Больцмана:

dt

И rf) + -1(Fi ? kf)=

СЛИПЧЕНКО Н.И., УНЖАКОВ Д.А., ЗУЕВ С.А., ГРИБСКИЙ М.П., СТАРОСТЕНКО В. В._____________

Приводятся и анализируются результаты численных исследований влияния размеров затвора и расстояния исток-сток на статические вольт-амперные характеристики, а также на электрическую и тепловую стойкость полевых транзисторов с затвором Шоттки на GaAs, работающих в напряженных электрических и тепловых режимах.

1. Введение

Геометрические размеры электродов полевых транзисторов с затвором Шоттки в дискретном исполнении или в качестве активного микроструктурного элемента микросхем, как правило, выбираются в зависимости от назначения на основании в достаточной степени обоснованных численно-аналитических моделей, экспериментальных исследований и возможностей технологии их изготовления.

Длина затвора в ПТШ выбирается исходя из назначения и частотного диапазона прибора и определяет геометрию активной области, в частности, длину канала. Соотношение длины затвора и расстояния исток-сток является определяющим как для быстродействия и частотных характеристик прибора, так и для электрической и тепловой стойкости ПТШ. Обычно при исследовании характеристик прибора ограничиваются номинальными режимами работы. При воздействии статического электричества, электромагнитного излучения, при сбоях в работе питающих устройств полупроводниковые приборы работают в напряженных токовых и тепловых режимах, которые могут приводить к их катастрофическому отказу.

Исследования по влиянию длины затвора при фиксированных расстояниях исток-сток на ВАХ и стойкость ПТШ с коротким каналом ранее не проводились.

В работах [1,2] рассмотрена численно-аналитическая модель ПТШ субмикронных размеров на GaAs с использованием метода крупных частиц, позволяющая учесть как свойства полупроводниковых материалов, так и электрические и тепловые процессы в ПТШ.

Целью данной работы являются исследования на численно-аналитической модели, использующей метод крупных частиц, влияния длины затвора на статические ВАХ ПТШ и электротепловые процессы в напряженных токовых и тепловых режимах (критериальную зависимость стойкости ПТШ Вунша-Белла).

уравнение Пуассона: Аф = — (р(г) - £ ej J fjdV j) и

уравнение теплопроводности

, <5T 8

cd-----= —

8t ex

k(t) • —

. Sx j ay

K(T) f

ay

-q

где f - функция распределения носителей по энергии и импульсам; Vj - скорость носителей заряда e j; Fj -

сила, действующая на заряд со стороны внешнего электромагнитного поля и остальных носителей заря-

af

да, ^ at J  - интеграл столкновений; p - плотность объемного заряда, создаваемого ионами кристалли-

ческой решетки; ^ ej J fjdVj - плотность объемного j

заряда, создаваемого свободными носителями тока, c - удельная теплоемкость кристалла; T - температура

кристалла; d - плотность кристалла; к(т)- коэффициент теплопроводности; q(x, y, t) - плотность источников тепловыделения, которая связана с интегралами рассеяния.

Подробно модель ПТШ на GaAs, приближения и особенности ее численной реализации для исследования физических процессов рассмотрена в работах [ 1, 2]. В перенапряженных режимах работы транзистора необходимо учесть процессы распределения тепла в различных частях активной о бласти ПТШ и процессы генерации избыточных пар электрон-дырка, способные приводить к лавинному пробою. В [3, 4] предложенная модель дополнена уравнением теплопроводности для анализа процессов локализации и распространения тепла в активной области, что дает возможность исследования работы ПТШ в перенапряженных режимах. Для учета генерации избыточных пар электрон-дырка введен дополнительный механизм рассеяния. В результате акта ионизации при достижении электроном достаточной энергии происходит рассеяние первичного электрона с образованием неравновесной пары электрон - дырка. Соответственно, при моделировании физики процессов лавинообразования в ПТШ учтена динамика ансамбля неравновесных дырок. При учете движения дырок использовалась дрейфовая модель переноса дырок с учетом зависимости дрейфовой скорости от напряженности поля и температуры кристалла.

24

РИ, 2007, № 3

Рис. 1.Геометрия ПТШ и распределение примесей

Данная система уравнений решалась методом крупных частиц с соответствующими граничными и начальными условиями. Г еометрия и уровни легирования активной области ПТШ представлены на рис. 1.

3. Результаты численного моделирования

Для определения влияния длины затвора на статические ВАХ ПТШ проведены серии численных экспериментов для длин активной области lx = 10 6 м и lx = 2-10 6м . В процессе исследования сохранялись постоянными соотношения ls/ld/lg = 1/1/1, lx/ly = 2/1. При фиксированной длине канала и активной области lx соотношение lgC/lgW принимало значения 1, 3, 5.

Полученные в результате численных расчетов ВАХ представлены на рис.2.

а

в

д

е

Рис.2. ВАХ ПТШ с различными соотношениями lgC /lgw : а, б, в - с длиной активной области lx = 10 _6 м; г, д, е - lx = 2-10 _6 м

РИ, 2007, № 3

б

25

Линейная плотность тока стока в ВАХ на рис.2 в А/м (ось ординат), напряжение сток-исток - вольты (ось абсцисс). Числами над кривыми в рис.2 указаны значения напряжения на затворе.

Из полученных характеристик видно, что рабочий диапазон достигает наибольшего значения при lgc /lgw = 3 . Уменьшение или увеличение ширины контакта в области затвора приводит к уменьшению крутизны и ухудшению характеристик. Если контакт занимает всю область затвора, то его влияние на ширину канала оказывается достаточно сильным, и малое изменение потенциала вызывает высокий скачок тока. В случае, когда контакт занимает малую часть области затвора, его влияние проявляется слабо, что приводит к снижению чувствительности прибора. Из рис.2 следует, что типичными и наиболее используемыми на практике являются соотношения длины затвора к длине канала в пределах 0,4 - 0,6.

Для выявления критериальной зависимости Вунша-Белла проводились исследования ПТШ с длиной активной области lx = 2-10 6м и соотношениями lgc /lgw 1,2 и 3, приэтом эффективная длина затвора составляла 0.32 , 0.13 и 0.06 мкм соответственно.

В качестве критерия выхода транзистора из строя принималось условие достижения кристаллом локальной температуры плавления. Результаты численных расчетов показаны на рис.3.

Рис.3. Критериальные характеристики Вунша-Белла

Как видно из рис.3, с уменьшением lgc/lgw время

выхода транзистора из строя падает. Это обусловлено снижением расстояния между электродами стока и затвора и, следовательно, увеличением напряженности поля в области канала. На участке свыше 1.5В лавинный пробой переходит в тепловой, что в конечном итоге приводит к тепловому пробою ПТШ. В целом можно констатировать, что стойкость ПТШ увеличивается с уменьшением длины затвора при фиксированной длине канала.

4. Выводы

Исследования влияния длины затвора на ВАХ показали, что исходя из наилучшей управляемости, соотношение длины затвора к расстоянию исток-сток не должно быть меньше 0.4. Из анализа критериальных характеристик стойкости ПТШ следует, что это соотношение не должно превышать 0.6, в противном случае вероятность выхода транзистора из строя в результате внешнего воздействия увеличивается. Следовательно, наиболее рационально использовать ПТШ с размерами длины затвора, лежащей в пределах 0.40.6 расстояния исток-сток.

Литература: 1. Зуев С.А., ШадринА.А., СтаростенкоВ.В. Модель расчета полевых транзисторов на GaAs субмикронных размеров // Радиотехника. 2001. Вып. 121. С.146-152. 2. Зуев С.А., Шадрин А.А. Исследование свойств СВЧ полевого транзистора на GaAs, связанных с междолинными переходами носителей // Радиоэлектроника и информатика. 2001. №2. С.19-20. 3. Зуев С.А., Терещенко В.Ю., Старостенко В.В., Шадрин А.А. Влияние тепловых процессов на дрейфовые характеристики полупроводниковых структур // Радиофизика и электроника. 2004. Т.9, №1. С.271-274. 4. Зуев С.А., Старостенко В.В., Терещенко В.Ю., Чурюмов Г.И., Унжаков Д.А., Григорьев Е.В. Лавинный пробой в полевых транзисторах с затвором Шот-тки на GaAs по результатам численного моделирования //Прикладная радиоэлектроника. 2005. Т.4, №3. С.353-356.

Посупила в редколлегию 13.09.2007

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Гордиенко Ю.Е.

Слипченко Николай Иванович, проф., проректор по научной работе ХНУРЭ. Научные интересы: моделирование полупроводниковых приборов. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14.

Унжаков Дмитрий Александрович, аспирант каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: моделирование полупроводниковых приборов. Адрес: Украина, 95022, Симферополь, ул.Б.Куна, 27, кв.127.

Зуев Сергей Александрович, канд. техн.наук, старший преподаватель каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: моделирование полупроводниковых приборов. Адрес: Украина, 95004, Симферополь, ул.Ки-евская, 127, кв.35.

Грибский Максим Павлович, аспирант каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: экспериментальные исследования деградационных процессов в микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95053, Симферополь, ул. Бетховена, 113, кв.88.

Старостенко Владимир Викторович, д-р физ.-мат. наук, зав. каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: моделирование вакуумных и твердотельных уст-ройст СВЧ, исследование деградационных процессов в различных объектах и средах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95022, Симферополь, ул. Б.Куна, 31, кв.13, раб. тел.: (8-0652) 23-03 -60.

26

РИ, 2007, № 3