Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ДМОП - как мощный элемент интеллектуальных силовых интегральных схем и проблемы, возникающие при его разработке и изготовлении
1.1 Интеллектуальные силовые схемы 8
1.2 Возможные конструктивно-технологические особенности создания мощного элемента для интеллектуальной силовой схемы .
1.3 Принцип работы, ВАХ и формулы, связывающие основные характеристики. 26
1.3.1 Вол ьтамперные характеристики 26
1.3.2 Связь пробивного напряжения и сопротивления в открытом состоянии. 28
1.4 Общие выводы и постановка задачи диссертации 30
Глава 2. Методика моделирования характеристик мощного вертикального ДМОП-транзистора с охранными кольцами
2.1. Сушение прсраммы анализа характерна полупроводниковых приборов
2.2 Возможности САПР SYNOPSYS и выбор программ данного пакета для проведения оптимизации конструкции и технологического маршрута изготовления мощного ДМОП - транзистора .
2.3 Способы оценки пробивного напряжения с использованием инструментов приборно-технологического моделирования
2.4 Способы оценки сопротивления ДМОП-транзистора. 41
2.5 Выводы 46
Глава 3. Анализ факторов влияющих на пробивное напряжение ДМОП-транзистора
3.1 Параметры, влияющие на пробой рп-перехода 48
3.1.1 Влияние полевой обкладки на лавинный пробой р-n перехода 51
3.1.2 Влияние охранных колец на лавинный пробой р-n перехода 54
3.2 Параметры, влияющие на пробивное напряжение ячейки ДМОП-транзистора 67
3.3 Выводы 70
Глава 4 Анализ факторов влияющих на сопротивление ДМОП-транзистора в открытом состоянии .
4.1 Составляющие сопротивление в открытом состоянии 71
4.2 Конструктивно-технологические параметры, влияющие на сопротивление ДМОП-транзистора
4.3 Влияние температуры среды 81
4.4 Модель сопротивления в открытом состоянии ДМОП-транзистора 84
4.5 Оптимизация ширины дрейфовой области РТ перехода 86
4.6 Выводы 89
Глава 5. Разработка мощного ДМОП-транзистора 90
5.1 Сравнение результатов эксперимента и моделирования 90
5.2 Методика расчета мощного ДМОП-транзистора 91
5.3 Моделирование динамических характеристик ячейки ДМОП-транзистора 103
5.4 Выводы 109
Заключение
Список использованных источников
- Возможные конструктивно-технологические особенности создания мощного элемента для интеллектуальной силовой схемы
- Возможности САПР SYNOPSYS и выбор программ данного пакета для проведения оптимизации конструкции и технологического маршрута изготовления мощного ДМОП - транзистора
- Влияние полевой обкладки на лавинный пробой р-n перехода
- Конструктивно-технологические параметры, влияющие на сопротивление ДМОП-транзистора
Введение к работе
Актуальность темы: Одной из основных тенденций развития современных силовых ключей, основанной на достижениях монолитной и гибридной технологий, является объединение в едином корпусе прибора функций переключателя, его управления и защиты. Данные приборы, получившие название «разумные» (Smart) или интеллектуальные (Intelligent), позволяют избавиться от громоздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты. Среди широкого перечня подобных приборов можно выделить следующие основные группы:
Силовые ключи с одной или несколькими встроенными системами защиты. Для управления данными приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспечивают защиту от перенапряжений, токовых перегрузок и температурных воздействий.
силовые ключи с интегрированными функциями защиты и управления. Данные приборы получили название силовых интегральных схем и, как правило, разрабатываются для конкретной области применения, например в ключевых источниках электропитания или схемах управления электродвигателями на мощности до единиц киловатт.
Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules). Данные схемы строятся на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) для применения в преобразователях на десятки и сотни киловатт мощности нагрузки. Интеллектуальные ИС находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроники.
В интеллектуальных ИС возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и низковольтных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними. Мощные элементы реализуются, как правило, в виде объемных ДМОП транзисторов, а интеллектуальная часть схемы выполняется на основе планарных КМОП-транзисторов. Совмещенная технология изготовления этих элементов удорожает производство и приводит к существенному влиянию силовых элементов на функционирование маломощных приборов. Также существующие планарные мощные МОП - транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение. Поэтому изготовление
мощных ДМОП-транзисторов ведется на отдельном кристалле, что значительно повышает напряжение пробоя прибора и увеличивает ток.
Но в таком приборе возникает ряд проблем связанных с зависимостью напряжения пробоя и сопротивления в открытом состоянии. При увеличения пробивного напряжения увеличивается сопротивление и наоборот при уменьшении сопротивления уменьшается напряжение пробоя. Для уменьшения сопротивления возможно использование ячеистой структуры, однако это приводит к возрастанию площади прибора, что ведет к увеличению стоимости и возрастанию емкостей прибора и в результате приводит к ухудшению динамических характеристик ДМОП-транзистора.
Для решения данной проблемы необходимо провести исследование и разработку мощных ДМОП-транзисторов обладающих при заданных электрических характеристиках (напряжении пробоя, сопротивления) минимальной площадью.
Самым эффективным методом исследования мощных ДМОП-транзисторов является приборно-технологическое моделирование, которое позволяет исследовать влияние конструктивно-технологических особенностей на характеристики прибора, кроме того, позволяет проникнуть внутрь прибора и посмотреть распределение различных физических величин (например потенциал, ток и т.д.). Для чего необходимо разработать методику моделирования ДМОП-транзистора.
Цель работы: является разработка методики моделирования с использованием современных программных пакетов с целью оптимизации площади ДМОП-транзистора.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:
Провести анализ исследуемых приборных структур как объектов приборно-технологического моделирования.
Анализ факторов влияющих на основные параметры ДМОП-транзистора.
Разработка методики расчета охранной области ДМОП-транзистора при помощи приборно-технологического моделирования.
Разработка методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных вертикальных ДМОП-транзисторов. Научная новизна работы:
Разработана вычислительная модель для расчета мощных ДМОП-транзисторов, позволяющая получить оптимальную площадь прибора при заданных электрических характеристиках (пробивное напряжение и сопротивление).
Получены и объяснены зависимости лавинного пробоя охранной области от параметров структуры с кольцами. Установлено что зависимость лавинного пробоя от расстояния между кольцами имеет максимум. При увеличении числа колец пробивное напряжение растет и стремится к напряжению пробоя плоского перехода, но не достигает его.
Разработана методика расчета охранной области высоковольтного ДМОП-транзистора, применимая ко всем приборам данного типа.
Практическая значимость работы:
Разработана методика математического приборно-технологического моделирования, позволяющая провести оптимизацию площади мощных ДМОП -транзисторов.
Разработана методика приборно-технологического моделирования охранной области ДМОП-транзистора применимая ко всем типам приборов такого класса, позволяющая получить прибор с заданным пробивным напряжением.
Реализация результатов работы:
Результаты работы внедрены в рамках научно-исследовательских работ и в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники.
Методика моделирования мощных ДМОП-транзисторов апробирована при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «НИИМЭ и Микрон».
Представляется к защите:
Разработанная методика моделирования мощного ДМОП-транзистора с заданными электрическими параметрами и имеющим оптимальную площадь.
Разработанная методика расчета охранной области ДМОП-транзистора.
Полученные с использованием системы приборно-технологического моделирования TCAD закономерности, связывающие напряжение лавинного
пробоя ячейки мощного ДМОП - транзистора с конструктивно-технологическими параметрами прибора.
Апробация результатов работы:
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006 г.
VIII международная конференция «актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2006 г.
Девятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», ПЭМ 2006, Дивноморское, 2006.
IV Международная научно-техническая школа-конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения Intermatic-2006», 2006 г.
13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006", Москва, Зеленоград, 2006 г.
14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, Зеленоград, 2007 г.
Восьмая международная конференция по электронным приборам и материалам "EDM-2007", 2007 г, Эрлагол.
Шестая научно-техническая конференция "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА", 2007 г., Владимир.
Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2007» (МНЭ-2007), 2007 г., Липки.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из которых 5 статей и
6 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений, содержащих акты
использования результатов работы, списка использованных источников из 53
наименований.
Возможные конструктивно-технологические особенности создания мощного элемента для интеллектуальной силовой схемы
Прогресс большинства областей современной техники неразрывно связан с успехами силовой электроники. Ее значимость определяется все возрастающей потребностью в эффективных преобразователях и регуляторах электрической энергии. Свойства, характеристики и параметр силовых схем зависят, в свою очередь от применяемых полупроводниковых приборов. Высокое качество полупроводниковых переключателей, их уникальные характеристики открывают долговременные перспективы совершенствования электронных устройств. С другой стороны, процесс полупроводникового производства является отражением передовых научно-технических достижений в области физики, электроники, автоматики, машиностроения. Получается некий циклический процесс, каждый виток которого является этапом непрерывного совершенствования и взаимовлияния.
Силовая электроника предназначена для преобразования мощности [3]. Поэтому полупроводниковые приборы представляют здесь интерес с точки зрения ключевого режима работы. Роль полупроводникового ключа заключается в коммутации различных частей схемы. С точки зрения разработчика силовой схемы, ключ должен обладать идеальными свойствами. Он должен мгновенно, при нулевой мощности управления, переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно большие напряжения, иметь нулевое остаточное напряжение и токи утечки. Достижение таких идеальных параметров возможно только в виртуальных задачах - при моделировании схем на компьютере. Реальные ключи могут лишь в той или иной степени приближаться к «идеальным».
Исследование полупроводников и полупроводниковых приборов были начаты в 30-х годах 19 века. В основу первых полупроводниковых ключей были положены теория выпрямления на границе p-n-перехода и открытие принципа полевого эффекта. Дальнейшее развитие электроники поставило задачу создания малогабаритного твердотельного прибора, который бы заменил электронную лампу. Исследование завершились созданием Бардиным и Браттейном в 1948 году точечного биполярного транзистора. В 1949 году Шокли на основе германия разработал первый маломощный плоскостной биполярный транзистор. В начала 50-х он же сформулировал идею четырехслойной р-п-р-п-структуры. Еще в 1948 году Шокли пытался изготовить полевой транзистор, но только в 1952 году удалось создать полевой транзистор с управляющим р-п-переходом. Конструкция первого МДП-транзистора была предложена Хофстейном и Хейманом только в 1963 году, когда первых успехов удалось добиться в области интегральных технологий.
Развитие силовой полупроводниковой электроники начинается в конце 50-х годов. Развитие преобразовательной техники поставило задачу разработки надежного и эффективного полупроводникового ключа, способного вытеснить газоразрядные переключатели. Основой первых силовых приборов становиться кремний, позволивший расширить температурный диапазон и существенно увеличить пробивное напряжение и мощность приборов. В 1955году под руководством Мола проводятся исследования приборов с тиратронной характеристикой названных тиристорами. В 1956 году Йорком изготавливается кремниевый управляемый р-п-р-п-переключатель. В 1958 году Тешнер пытается повысить мощность униполярного транзистора за счет использования цилиндрической геометрии. Однако простое увеличение физических размеров приборов для увеличения тока и повышения коэффициента усиления приводило к понижению частотных свойств ключа. Основная задача разработки первых промышленных образцов (тиристоров, диодов) заключалась в повышении рабочих токов и напряжения в целях полной замены газоразрядных приборов. В то время для транзисторных ключей на первый план выходит решение проблемы создания высокочастотного прибора на относительно большие рабочие токи.
Для изготовления мощных биполярных транзисторов была применена эпитаксиальная технология с методом двойной диффузии. Эта же технология была использована фирмой Japanese Electrotechnical Laboratory для создания в 1969 году первого мощного V-образного МДП-транзистора (см. рисунок 1.1).
Распространение тока в биполярных транзисторах основано на явлениях инжекции, переноса и собирания носителей. При этом в качестве носителей могут выступать как электроны, так и дырки: инжекция неосновных носителей одного знака сопровождается компенсацией образующегося заряда основными носителями другого знака. В противоположность этому униполярные транзисторы (с управляющим p-n-переходом, МДП) используют только основные носители заряда, движение которыми управляется затвором (электрическим полем), поэтому транзисторы называется полевыми. Отсутствие явление инжекции и необходимости рассасывания заряда неосновных носителей при включении определило целый ряд преимуществ полевых транзисторов перед биполярными: Рисунок 1.1 - Структура V-образного МДП-транзистора. 1. Коэффициент усиления биполярных транзисторов (БТ) из-за снижения коэффициента инжекции резко уменьшается в области больших токов. Крутизна полевых транзисторов с коротким каналом практически неизменна в области рабочих токов, что обеспечивает большую устойчивость полевых транзисторов к перегрузкам, чем биполярных. 2. Большие потери мощности в цепях управления БТ. Высокое входное сопротивление, малый динамический заряд полевых транзисторов значительно снижают эту мощность. 3. Отсутствие накопленного заряда неосновных носителей обеспечивают высокую скорость переключения полевых транзисторов и лучшие динамические характеристики по сравнению с биполярными аналогами.
Благодаря однородной структуре полевых транзисторов они обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления. Таким образом, полевой транзистор способен к самовыравниванию плотностей протекающего тока. Следовательно, полевые транзисторы менее подвержены резким изменением токовой нагрузки, что особенно ценно в многоканальных структурах.
Наряду с очевидными достоинствами полевых транзисторов перед биполярными, имеется ряд недостатков. Напряжение насыщения высоковольтных БТ оставалось много меньше, чем у аналогичны полевых транзисторов, это является следствием высокого сопротивления канала в открытом состоянии, увеличивающегося с ростом пробивных напряжений. Другим ограничивающим фактором оказался вроде бы положительный эффект увеличения сопротивления кремниевого проводника. Однако из-за высокого температурного коэффициента сопротивление канала в открытом состоянии практически удваивается при температуре кристалла близкой к 150С. Данная температура оказалась критической для применения полевых транзисторов.
В результате сравнения двух типов структур, разработчики стали пытаться объединить полезные свойства биполярных и полевых структур.
Основной задачей стояло изготовление структуры, которая обладала бы высоким входным сопротивлением, малым сопротивлением в открытом состоянии и высоким быстродействием.
Одним из подходов для решения данной задачи заключалось в искусстве схемотехнического решения. Однако это не позволяло оптимально использовать характеристики отдельных дискретных составляющих, таким образом на первый план выдвигалась задачи монолитной интеграции биполярных и полевых структур.
Возможности САПР SYNOPSYS и выбор программ данного пакета для проведения оптимизации конструкции и технологического маршрута изготовления мощного ДМОП - транзистора
В работе предполагается использовать следующие инструменты SYNOPSYS: DIOS, MDRAW, SDEVICE. Рассмотрим их подробнее. Для характеристики программы DIOS коротко рассмотрим основные используемые в программе модели. а) Имплантация. Для описания двухмерного распределения фосфора после ионной имплантации используется статистическое распределение Пирсона 4 (для вертикального направления). Боковой уход под маску описывается распределением Гаусса. Параметры моделей имплантации Пирсона 4 и Гаусса рассчитываются исходя из типа легирующей примеси и материала мишени. Распределение бора в кремнии описывается теми же законами, но к вертикальному распределению добавляется экспоненциально спадающий "хвост" распределения Пирсона для учета эффекта каналирования. б) Диффузия.
Под процессом диффузии подразумевается не только перераспределение примеси после имплантации в результате термического воздействия в инертной среде, но и окисление, в том числе при создании LOCOS. Окисление описывается одномерным законом Дила - Гроува. Расчет процесса создания LOCOS также основан на вычислении одномерных сечений, форма птичьего клюва рассчитывается по близкой к erfc- функции. Для описания программы MDRAW рассмотрим два варианта ее использования: - Получая рассчитанную в DIOS структуру, MDRAW перестраивает технологическую сетку в приборную, позволяет в интерактивном режиме добавлять новые сетки, корректировать геометрию прибора, определить положение контактов. - С помощью интерактивного редактора геометрии и распределения примеси есть возможность создания сечения прибора баз использования DIOS. При этом, распределение примеси задается аналитически с помощью распределения Гаусса. Редактор MDRAW позволяет значительно ускорить процесс оптимизации конструкции прибора, особенно при больших горизонтальных размерах (100 мкм), заменяя длительный расчет в DIOS. Программы расчета электрофизических параметров полупроводниковых приборов SDEVICE использует фундаментальную систему уравнений физики полупроводников: - Уравнение Пуассона (для диэлектриков - уравнение Лапласа) - Уравнения непрерывности для электронов и дырок - Уравнения для токов
Концентрации свободных носителей описываются статистикой Больцмана. Контакты рассматриваются по умолчанию как омические и являются переменными граничными условиями. В случае необходимости моделирования выпрямляющего контакта (например, диода Шоттки) необходимо определить величину барьера Шоттки (0.7 В) и использовать более сложные граничные условия.
Подвижность описывается несколькими моделями, дающими аддитивный вклад в общую подвижность по правилу Маттисена. Рассмотрим используемые нами модели: а) Модель зависимости подвижности от уровня легирования б) Модель насыщения дрейфовой скорости в сильных электрических ПОЛЯХ в) Модель подвижности в поперечном электрическом поле в области под затвором г) Модель, учитывающая рассеянье носителей из-за столкновения между собой Рассмотрим используемые модели генерации- рекомбинации: а) Базовая модель Шокли-Рида-Холла б) Уточнение модели ШРХ за счет учета зависимости времени жизни носителей от концентрации примеси в) Модель лавинной генерации носителей для расчета эффекта пробоя.
Вычисление пробивного напряжения производится с помощью программы SDEVICE. При этом возможно использование нескольких приемов. Первый прием это расчет, построение и анализ ВАХ. Данный метод хорошо подходит для оценки вида ВАХ, токов утечки при пробое, однако, для его реализации необходимо решать полную систему полупроводниковых уравнений. Для структур, имеющих большие размеры, такой метод оказывается достаточно длительным в смысле вычислительного времени. Данный метод будет использован для расчета охранных колец и на заключительном этапе оптимизации конструкции и технологического маршрута формирования силового ДМОП - транзистора. Второй прием основан на расчете напряжения лавинного пробоя перехода р-области и эпитаксиального слоя на основе решения только уравнения Пуассона и вычисления ионизационных интегралов (Пуассон-анализ). Данный метод является общепринятым при проектировании силовых приборов. Идея заключается в том, что величина напряжения пробоя не зависит от тока, а определяется распределением электрического поля. Последнее рассчитывается на основе распределения примеси с помощью уравнения Пуассона. Ионизационный интеграл представляет собой соотношение для эффективной скорости ударной ионизации для электронов и дырок, полученное при рассмотрении эффекта лавинного пробоя р-n перехода. Интегрирование идет по ширине ОПЗ. Скорость ионизации определяется распределением электрического поля в приборе. Таким образом, SDEVICE, решая уравнение Пуассона для каждого значения потенциала на стоке, получает распределение электрического поля. После этого, программа вычисляет ионизационный интеграл. Условием пробоя считается равенство последнего единице. Следует отметить, что данный метод является достаточно быстрым и малотребовательным с точки зрения вычислительных затрат и времени.
Генерация электронно-дырочных пар при лавинном умножении (ударной ионизации) требует некоторой пороговой напряженности электрического поля и возможности ускорения, то есть широкой области пространственного заряда.
Влияние полевой обкладки на лавинный пробой р-n перехода
На пробивное напряжение рп-перехода с полевым электродом оказывают следующие параметры: длина электрода - L, толщина окисла - Тох, и заряд в окисле Q, который образуется в процессе изготовления прибора, концентрация в р+ и п областях, а также кривизна перехода. Исследуемая структура показана на рисунке 3.4 (контакт к р+ области и полевая обкладка имеют одинаковый потенциал).
Как видно из рисунка 3.6 для каждого значения полевой обкладки найдется значение толщины оксида при котором пробивное напряжение будет максимальным. Данная зависимость объясняется тем что до максимума пробивного напряжения, пробой происходит на границе р-n перехода и поверхность кремния под обкладкой обедняется основными носителями, а после максимума, пробой происходит на конце полевой обкладки и поверхность кремния под обкладкой обогащается неосновными носителями.
Зависимость напряжения пробоя от толщины окисла для различных значений заряда в окисле, длина полевого электрода равна Юмкм 3.1.2 Влияние охранных колец на лавинный пробой р-n перехода.
При использовании диффузионных ограничительных колец [45]-[46] для увеличения пробивного напряжения около основного сильнолегированного р-п перехода вводится аналогичная ему диффузионная область Б, как показано на рисунке 3.8. При обратном смещении перехода А область Б находится под плавающим потенциалом. Расстояние между областями А и Б выбирается таким, чтобы ОПЗ этих областей смыкались непосредственно перед лавинным пробоем основного перехода. В результате этого напряженность электрического поля перед пробоем не достигает критической величины.
Рассмотрим методику расчета и оптимизации структур с охранными кольцами. Структура, исследуемая в работе, представлена на рисунке 3.9. Для понимания того, как влияет охранное кольцо на напряжение пробоя и уменьшения времени расчета нам достаточно использование программ MDRAW и DESSIS, конечную структуру просчитываем в DIOS. Структура составляется в редакторе MDRAW, а затем просчитывается в программе DESSIS. Распределение р+ областей задается распределением Гаусса с боковым уходом равным единице и с концентрацией на поверхности 1020 см"3, концентрация n-типа равна 2-Ю14 см"3, п+ - 10 см", п+ область можно опустить, так как она не влияет на пробивное напряжение.
Рассмотрим два подхода расчета пробивного напряжения. Первый подход: возьмем структуру с одним кольцом, как показано на рисунке 3.8 и будем менять расстояние W между основным переходом и охранным кольцом для достижения максимального напряжения пробоя. Мы увидим, что при определенном расстоянии W напряжение пробоя будет максимально, данное расположение и будет являться оптимальным. Далее добавляем второе кольцо и меняем расстояние между 1 и 2 кольцами, а расстояние между переходом и кольцом сохраняем прежнее. И так далее, мы приходим к тому, что добавление третьего и последующих колец не приводит к увеличению напряжения пробоя. Данный эффект объясняется тем что при добавлении кольца не происходит перераспределение потенциала, напряжение падает на основном переходе и кольце и пробой происходит у основного перехода и дальнейшее добавление колец не влияет на распределение напряженности поля у основного перехода.
Второй подход: заключается в том, что расстояние между первым и вторым кольцами после добавления второго кольца, не меняется и остается равным расстоянию между переходом и кольцом, полученному в структуре с одним кольцом. Таким образом, меняя расстояние между переходом и вторым кольцом, опять находим оптимум, при котором наблюдается максимум напряжения пробоя. И вот при таком подходе мы получаем, что добавление кольца приводит постоянно к повышению пробивного напряжения, и стремится, но не достигает напряжения пробоя плоского перехода. И если расстояние оптимально, то напряженность поля будет практически одинакова у всех переходов. Добавление кольца приводит к перераспределению потенциала в структуре, это ведет к увеличению ОПЗ и уменьшению напряженности электрического поля что в результате приводит к увеличению пробивного напряжения структуры.
Варьируемыми параметрами в данной структуре были следующие: xj -глубина залегания основного перехода и колец, W - расстояние между кольцами, Hepi - толщина эпитаксиальной пленки, Q - заряд в окисле. Рисунок 3.10 иллюстрирует зависимость пробивного напряжения от расстояния между основным переходом и кольцом для различных глубин залегания (толщина эпитаксиальной пленки больше ширины ОПЗ). С увеличением глубины залегания примеси как видно из рисунка напряжение пробоя увеличивается, так как увеличивается кривизна перехода. На рисунке 3.11 показана зависимость напряжения пробоя, но уже для двух колец в структуре от расстояния между основным переходом и вторым кольцом (расстояние между первым и вторым кольцом как мы уже говорили выше остается таким, каким мы получили для структуры с одним кольцом).
Конструктивно-технологические параметры, влияющие на сопротивление ДМОП-транзистора
На рисунке 4.5 показаны конструктивные параметры, влияющие на сопротивление ДМОП-транзистора. Где Lg - эффективная длина затвора, Lp+ -маска для р области, Lp - расстояние между маской для р области и затвором, Lch -длина канала, Xjp - глубина залегания р области, Hepj - толщина эпитаксиальной пленки, Hsub - толщина подложки, N - концентрация примеси в эпитаксиальной пленке.
Одним из параметром характеризующих мощные транзисторы является произведение сопротивления на площадь. Зависимость параметра R S от Lg для различных значений Lp+ показана рисунке 4.11 (N = 2-Ю14 см 3, Lp = 6 мкм, Hepj = 50 мкм). Как видно из рисунка зависимость имеет минимум. Объяснить данную зависимость можно следующим образом: при малых значениях Lg сопротивление JFET и дрейфовой областей велико, площадь ячейки мала и поэтому в параметре R S основной вклад несет сопротивление. С увеличением Lg увеличивается площадь и уменьшаются сопротивления JFET и дрейфовой областей, наступает момент, когда R S имеет минимум. Дальнейшее увеличение Lg приводит к незначительному изменению сопротивления JFET и дрейфовой областей, а площадь ячейки существенно увеличивается и параметр R S растет.
Высокая рабочая температура биполярного транзистора часто приводит к выходу из строя. Повышенная температура вызывает местный перегрев, повышение плотности тока биполярного транзистора вокруг периметра эмиттера. Это может вызвать разрушение прибора. ДМОП-транзисторы не обладают этим недостатком, поскольку работают на эффекте переноса основных носителей заряда. Подвижность основных носителей заряда в кремнии уменьшается с ростом температуры среды. Эта обратная зависимость заставляет носители двигаться медленнее по мере роста температуры кристалла. При этом сопротивление канала растет, что предотвращает концентрацию носителей вокруг горячих точек. Следовательно, в ДМОП структуре попытка к образованию горячих точек приводит к локальному увеличению сопротивления и заставляет носители стремиться к более холодным частям кристалла.
Благодаря такому распределению тока, ДМОП-транзистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (см. рисунок 4.12) [51]. Положительный температурный коэффициент сопротивления означает, что работа ДМОП-транзистора стабильна при колебаниях температуры и тем самым обеспечивается защита от перегрева и вторичного пробоя. Другим достоинством такой характеристики является возможность параллельного включения ДМОП-транзисторов без опасения, что один прибор заберет на себя ток от других.
UCH, напряжение сток-исток (В) Рисунок 4,14 - Зависимость тока стока 1с от напряжения сток-исток иСи (сплошные линии - с учетом эффекта саморазогрева (задавались значения теплового сопротивления), штриховые линии - без учета эффекта саморазогрева) 4.4 Модель сопротивления в открытом состоянии ДМОП-транзистора Как было показано выше сопротивление транзистора состоит из нескольких сопротивлений отдельных частей ДМОП-транзистора.
Пробивное напряжение охраны должно быть около 620В, если эффективность использования охраны достигает 0,8 от напряжения пробоя плоского перехода тогда напряжение плоского перехода равно 775В, исходя из этого значения по формулам 11 и 12 определяем оптимальную концентрацию и ширину РТ-перехода, они равны 2,63 1014 см"3 и 48,245 мкм. Учитывая глубину залегания примеси примерно равной 8,12 мкм, толщина эпитаксиальной пленки равна 56,36мкм. 4.6 Выводы.
Рассмотрены компоненты входящие в сопротивление ДМОП-транзистора. Получены зависимости сопротивления ячейки ДМОП-транзистора от ее конструктивно-технологических параметров. Показано что при увеличении Lg и Lp+, сопротивление уменьшается. Вводится параметр произведения сопротивления на площадь R S. Показано что зависимость параметра R S от Lg имеет минимум. Рассчитаны ВАХ ячейки при использовании дрейфово-диффузионного и термодинамического приближения. Произведено сравнение ВАХ рассчитанных с учетом и без учета саморазогрева. Показано что тепловое сопротивление достаточно сильно влияет на электрические характеристики ДМОП-транзистора.
