CC BY
63
УДК 538.1
Витвицкий В.Г., Гевондян Т.А., Дианов В.Н.
ФГБОУ ВПО Московский Государственный Индустриальный Университет, г.Москва
ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С БАРЬЕРОМ ШОТКИ
Аннотация. Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования электрофизических параметров полевых транзисторов с барьером Шотки. Показано влияние чистоты полупроводниковых материалов на надежность элементной базы и повышение стабильности работы полевых транзисторов.
Ключевые слова: электрофизические параметры полевых транзисторов с барьером Шотки, чистота полупроводниковых материалов.
Широко распространена концепция повышения надежности аппаратуры, которая базируется преимущественно на повышении надежности ее элементной базы [1]. Одним из путей решения этой проблемы является мониторинг стабильности параметров и качества работы полевых транзисторов как важнейших элементов интегральных схем. Для проведения достаточно точного анализа работы полупроводникового прибора и функционирования схемных элементов можно воспользоваться моделью [2], в рамках которой появляется возможность выразить вольт-амперную характеристику (ВАХ) и параметры малосигнальной эквивалентной схемы через электрофизические параметры полупроводниковой структуры транзистора.
Рассмотрим, как можно связать особенности физических процессов с ВАХ полевого транзистора с барьером Шотки, который широко используется в устройствах сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ) . Известно, что по характеру изменения ВАХ можно судить об изменении электрофизических параметров и топологии структуры полевого транзистора.
Для решения поставленной задачи воспользуемся аналитической моделью, построенной с учетом зависимости дрейфовой скорости о и подвижности ц носителей заряда от напряженности электрического поля E согласно соотношению о = juE . В аналитических расчетах параметров полевого транзистора будем использовать кусочно-линейную аппроксимацию зависимости дрейфовой скорости носителей заряда от напряженности электрического поля [2].
В этом случае активный канал полевого транзистора разбивется на две области. Область, примыкающую к истоковому концу затвора и имеющую длину Li, обозначим как область I. В этой области подвижность носителей заряда не зависит от напряженности электрического поля, то есть ц = const, так как напряженность электрического поля в этой области меньше напряженности электрического поля Ен , соответствующей насыщению дрейфовой скорости носителей заряда Е< Ен. В области II, имеющей длину L2 и примыкающей к стоковому концу затвора, скорость носителей заряда
достигает насыщения, то есть о = он= const , так как Е=Ен
В рамках модели [3] с использованием приближенного решения двумерного уравнения Пуассона, можно провести аналитический расчет распределения падения напряжения в проводящем канале полевого транзистора и получить аналитическое выражение в следующем виде:
и = ии(р2 -g2) + (1)
п 2а
где ин- напряжение отсечки канала; а - толщина активного канала;
Р =
Us + U с
и„
g = U-
(2)
при этом в напряжении на затворе Us учитывается напряжение потенциального барьера фо, Uc - напряжение на стоке.
Ток стока Ic будет выражаться:
/с = [р2 - g2 -
А
f(р - g3)]
(3)
где e - заряд электрона;
N - концентрация носителей заряда;
W - ширина затвора.
При достижении насыщении ток стока 1сн будет определяться следующим образом:
4, = eMNWaE„(1-р). (4)
Принимая во внимание непрерывность тока стока в обеих областях активного ний (3) и (4) можно определить длину первой области:
А =
2 2 2, f f4
Р - g (Р - g )
1 - Р
(5)
канала
из выраже-
Таким образом, полученные аналитические выражения позволяют провести расчет ВАХ полевого транзистора в зависимости от изменения электрофизических параметров и топологии структуры полевого транзистора, а также от напряжений на затворе и стоке.
Кроме того, можно показать зависимость ВАХ от изменения длины обедненной области Li в активной части канала полевого транзистора с изменением напряжений смещений сток-истока Цси и затвор-истока изи. Данные расчеты показывают, какие физические величины влияют прямым и косвенным образом на улучшение выходных параметров и, следовательно, способствуют повышению надежности использования полевых транзисторов с барьером Шотки в усилителях СВЧ-диапазона.
Таким образом, характеристики полевых транзисторов с барьером Шотки определяются в основном четырьмя параметрами, а именно: длиной затвора, шириной затвора, толщиной активного канала и концентрацией основных носителей при однородном профиле легирования. Также играет роль скорость насыщения основных носителей заряда арсенида галлия, из которого выполнена подложка.
Используемая модель позволяет достаточно точно рассчитать и другие параметры полевого транзистора с барьером Шотки. Отметим, что концентрация носителей заряда, зависящая от дефектнопримесной структуры исходного кристалла, влияет на величину следующих параметров полевого транзистора:
Un , I
напряжение и ток в точке излома ВАХ, используемые для определения длины затвора L.
R - сопротивление области активного канала исток-затвора;
Rc - сопротивление области активного канала затвор-стока;
1мс - максимально возможный ток стока, который протекает через активный канал транзистора при минимальной толщине слоя объемного заряда в области затвора под действием напряжения исток-затвор.
Соответствие теоретических расчетов электрофизических и геометрических параметров в рамках представленной модели с физическими величинами, представленными разработчиками для некоторых образцов полевых транзисторов с барьером Шотки, приведено в таблице 1.
Таблица 1.
Сравнение расчетных и экспериментальных электрофизических параметров полевых транзисторов
Параметры полевых транзисторов
Данные, используемые в теоретических расчетах
Символ Размерность 1 транзистор 2 транзистор 3 транзистор
W мм 0,3 0,3 1,0
Ь>н м/ с 1,5 1,7 1,0
Фо В 0,836 0,836 0,836
ин В 3,68 4,6 5,5
Un В 0,85 1,2 3,4
In мА 68,5 107,5 244,0
Rc Ом 3,5 3,5 5,0
Rm Ом 4,0 4,0 6,0
Данные теоретических расчетов и эксперимента
Символ Размерность Теор. Эксп. Теор. Эксп. Теор. Эксп.
N 1022 м-3 8,0 8,8 10,0 11,0 9,0 9,0
a 10-6 м 0,260 0,248 0,260 0,248 0,300 0,297
Ьз 10-6 м 1,00 1,02 1,00 1,05 1,000 0,905
1мс мА 149,76 157,30 212,40 222,60 432,57 435,60
Анализ изменения ВАХ электрофизических параметров материала и топологии структуры полевого транзистора позволяет судить о свойствах полевого транзистора. Так, например, наиболее критичным конструктивным параметром полевого транзистора является длина затвора Ls. Известно, что с уменьшением длины затвора уменьшается емкость затвор-истока Сзи, что, соответственно, приводит к увеличению предельной частоты , на которой может работать данный транзистор:
f =
J пр
S
пр 2пС„
(6)
где S - крутизна вольтамперной характеристики.
Как видно из зависимости (6), увеличение паразитной емкости затвор-истока приводит к понижению предельной частоты работы транзистора. Частотный предел полупроводниковой структуры увеличивается при уменьшении сопротивления истока и, главным образом, емкости затвор-истока, сопровождающей уменьшение длины затвора. Снижение электрического сопротивления может быть достигнуто за счет применения материалов с минимизированным влиянием дефектно-примесной структуры, что позитивно влияет на устойчивость работы транзистора. Обеспечение устойчивости в диапазоне СВЧ представляет проблему более серьезную, чем на низких частотах. Это определяется тем, что значение паразитных параметров при переходе к СВЧ-диапазону не могут быть уменьшены пропорционально длине волны из-за технологических и физических ограничений, и их влияние в этом диапазоне увеличивается. Это относится и к пассивным цепям, нагружающим транзистор, поскольку нагрузки являются обычно частотно-зависимыми и не всегда строго детерминированными [4].
Таким образом, устойчивость СВЧ-транзисторов определяется в значительной степени паразитными элементами, пренебрежение ими в моделях некорректно, исследование устойчивости представляет собой сложную задачу. Изменение частотного диапазона работы полевого транзистора, связанное с вариациями электрофизических параметров, может явиться одной из внутренних причин появления сбоев в работе всего устройства. В связи с этим первостепенную важность, на наш взгляд, приобретает проблема обеспечения достаточно высокой степени совершенства исходных материалов, из которых изготавливаются элементы электронных устройств. Магнитные методы контроля свойств исходных материалов являются достаточно чувствительными и позволяют отследить влияние степени чистоты материалов на качество работы изготавливаемых из них устройств электроники.
Полупроводниковые материалы, являющиеся основой элементной базы современной радиоэлектроники, слабомагнитны и относятся к классу диамагнетиков, поэтому в диапазонах магнитных полей и температур, в которых осуществляется эксплуатация электронных устройств, не должны обладать зависимостью магнитной восприимчивости х от напряженности магнитного поля Н и температуры Т. Тем не менее исследования магнитостатических и магниторезонансных свойств различных материалов полупроводниковой чистоты [5] показали, что при изготовлении и механической обработке диамагнитных кристаллов в них образуются сильномагнитные области, приводящие к появлению специфических зависимостей х(Н) и х(Т). Появление указанных зависимостей трактуется рядом авторов как следствие проявления сильного магнетизма, возникшего благодаря магнитному упорядочению дислокационных электронов оборванных химических связей. В рамках такой модели переход от массивных кристаллов к макро- и микрокластерам должен бы был привести как к усилению парамагнетизма материалов, так и проявлению качеств, присущих веществам с магнитным упорядочением. Однако изучение магнитных свойств особо чистых диамагнитных халькогенов после их диспергирования показало, что уменьшение диамагнетизма образцов связано с поверхностным парамагнетизмом Ван-Флека, а специфическая зависимость х(Н) в таких случаях не проявляется. Поэтому более правдоподобной представляется идея Куссмана и Зеемана о проявлении магнитного упорядочения в диамагнетиках вследствие образования сильномагнитных образований из ранее растворенных в кристалле примесных атомов переходных элементов, переходящих в процессе обработки слабомагнитного материала из ненасыщенного состояния в насыщенное.
Наличие в недостаточно очищенном материале аппаратурных примесей, в число которых входят переходные элементы группы железа, может привести к тому, что в процессе изготовления транзистора или другого элемента интегральной схемы главную роль будет играть специфическая дефектно-примесная структура кристалла, проявятся процессы, приводящие к агрегации примесных переходных элементов в области, которые можно назвать сильномагнитными включениями. Магнитная сепарация порошков слабомагнитных материалов позволяет выделить и удалить эти включения, после чего диамагнитные свойства кристаллов восстанавливаются [6].
Проблема исследования природы и устранение дефектов компонентов устройств, в которых возникают сбои и отказы, является актуальной и требует дополнительных исследований. На наш взгляд, именно особенности дефектно-примесной структуры материалов определяют причины появления предвестников отказов и сбойных состояний устройств [7] . Многочисленные современные методы контроля состояния аппаратуры направлены в основном не на выяснение и устранение причины сбойных состояний, а на конечные результаты их проявления, при этом диагностируются места сбоев, но не их источники. Таким образом, сохраняется потенциальная возможность существования скрытых дефектов в элементной базе. Новая концепция повышения качества электронной аппаратуры за счет исключения воздействия сбоев состоит в обнаружении и регистрации источников сбоев, что в конечном итоге приведет к повышению качества и надежности устройств любого назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Rainal A. I. Performance Limits of Electrical Interconnections to a High - Speed Chip. «IEEE Trans. Compar. Hybrids and Manuf Technol», 1988, 11, №3, p. 260-266.
2. Егудин А.Б. Расчет вольт-амперных характеристик полевого транзистора с коротким каналом. - «Электронная техника». Серия 2. «Полупроводниковые приборы», 1978, вып. I (119), с. 109 -
118.
3. Stats H., Haus H.A., Pucel R.A. Noise Characteristics of Gallium Arsenide Field-Effect Transistors. - IEEE Trans., 1974, v. ED-21, N 9, p. 549 - 562.
4. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. - М.: Радио и связь, 1987. - 200 с.
5. Гевондян Т.А. Исследование магнитных свойств сильномагнитных включений в кремнии и германии. - Автореф. дисс. ... канд.ф.м.н., Л., 1991.
6. Гевондян Т.А. Электронный парамагнитный резонанс сильномагнитных включений из кремния/ Труды международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2010, т.2, с.80-82.
7. Дианов В.Н., Гевондян Т.А. Системы безопасности транспортных средств повышенной надежности. Материалы международной научно-практической конференции «Инфо-2012», 2012, Россия, г.
Сочи, с.522-524.
