基于硅襯底靜電感應(yīng)晶體管器件仿真與研究

王富強(qiáng),瞿宜斌,馬行空

(中國(guó)人民解放軍第93856部隊(duì),甘肅 蘭州　730070)

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基于硅襯底靜電感應(yīng)晶體管器件仿真與研究

王富強(qiáng),瞿宜斌,馬行空

(中國(guó)人民解放軍第93856部隊(duì),甘肅 蘭州730070)

摘要針對(duì)靜電感應(yīng)晶體管理論研究遲滯于實(shí)踐過(guò)程,文中利用軟件Silvaco Tcad,從器件仿真入手,對(duì)影響硅基表面柵靜電感應(yīng)晶體管器件電學(xué)性能進(jìn)行了理論研究。仿真得到了反偏柵壓約為0 V、漏電壓<20 V時(shí),器件表現(xiàn)類五極管飽和特性曲線,器件電流約為10(-5) A,此時(shí)溝道狀態(tài)為預(yù)夾斷。當(dāng)反偏柵壓為-1.5 V、漏電壓逐漸增大到300 V時(shí),器件表現(xiàn)為類三極管不飽和特性曲線,器件電流約為10(-6) A,此時(shí)溝道狀態(tài)為完全夾斷,研究結(jié)果靜電感應(yīng)晶體管工藝實(shí)踐提供了參考。

關(guān)鍵詞靜電感應(yīng)晶體管;溝道勢(shì)壘;器件仿真

靜電感應(yīng)晶體管是一種結(jié)構(gòu)靈敏器件,因其集高電壓、大電流、高頻率和柵可關(guān)斷能力等優(yōu)異性能于一身,而得到廣泛應(yīng)用[1]。但靜電感應(yīng)晶體管作為新型半導(dǎo)體器件的一種,理論研究滯后于實(shí)踐過(guò)程,具有經(jīng)驗(yàn)性和唯象性,且利用計(jì)算機(jī)輔助研究也不多見(jiàn)。因此,本文通過(guò)半導(dǎo)體仿真軟件Silvaco Tcad對(duì)器件進(jìn)行仿真模擬,達(dá)到對(duì)器件的理論研究和直觀剖析其工作的物理機(jī)理的目的。

靜電感應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)直接影響著相應(yīng)的電學(xué)參數(shù),且各參數(shù)間有著密切關(guān)系[2-3]。本文研究的表面柵型靜電感應(yīng)晶體管是垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管,溝道兩側(cè)的柵壓嚴(yán)格控制著溝道勢(shì)壘的高低,隨著柵源偏置電壓的變化以及器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同,該器件能呈現(xiàn)出以下3種不同特性[4]:(1)類五極管特性;(2)類三極管特性;(3)雙極特性[5]。因雙極模式下靜電感應(yīng)晶體管屬于另一種新型的功率器件,所以在本文中不做討論。

1器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜電感應(yīng)晶體管器件典型結(jié)構(gòu)包括表面柵型、溝槽柵型和隱埋柵型。無(wú)論何種結(jié)構(gòu),現(xiàn)有研究成果表明,溝道載流子分布、I-V特性以及影響器件電學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)都有類似性,但表面柵結(jié)構(gòu)可制作出功率小、電流容量大和頻率較高的靜電感應(yīng)晶體管,且易在實(shí)驗(yàn)中制作得到,同時(shí)通過(guò)軟件容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和工藝仿真。所以,為實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電感應(yīng)晶體管工作機(jī)理解釋和電學(xué)特性模擬,本文在仿真研究中采用表面柵結(jié)構(gòu)靜電感應(yīng)晶體管,其仿真研究采用的元胞結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1　仿真研究中采用的表面柵SIT元胞結(jié)構(gòu)參數(shù)

器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)從上往下,從左往右,源極區(qū)為重?fù)诫s的n+區(qū),柵極區(qū)為重?fù)诫sp+區(qū),中間溝道區(qū)以及往下區(qū)域均為漂移區(qū),為輕摻雜的n-區(qū),漏極區(qū)為重?fù)诫s的n+區(qū)。

圖1　器件內(nèi)部相關(guān)參量示意圖

2類五極管特性

2.1溝道電勢(shì)分布

取VG=VS=0 V,利用Silvaco Tcad軟件模擬器件溝道電勢(shì)分布,結(jié)果如圖2所示,溝道處于預(yù)夾斷狀態(tài)。按照設(shè)計(jì)要求,柵壓為零時(shí),溝道應(yīng)為打開狀態(tài)。之所以在實(shí)際器件工藝生產(chǎn)中,柵極區(qū)耗盡層向溝道中心線擴(kuò)展至恰好相交,這是因?yàn)閷?shí)際柵極區(qū)摻雜工藝中,橫向擴(kuò)散比較大,導(dǎo)致柵源之間已不是簡(jiǎn)單的平面結(jié),而是存在曲率的柱面結(jié)。

圖2　VG=0 V時(shí),基于硅的SIT溝道電勢(shì)Contour圖

溝道完全夾斷前為預(yù)夾斷狀態(tài),對(duì)比真空管和靜電感應(yīng)晶體管,后者更容易發(fā)現(xiàn)近似平面場(chǎng)效應(yīng)管的類五極管模式,這是由于在半導(dǎo)體器件中,全部固態(tài)半導(dǎo)體材料的電子飽和速率約為107cm/s,而真空管電子飽和速率約為1010cm/s,這個(gè)速度和光在真空中傳播速度非常貼近,是固態(tài)器件電子飽和速度的約1 000倍,所以固態(tài)器件的相應(yīng)飽和電流也更低,在類五極管特性時(shí)靜電感應(yīng)晶體管更容易出現(xiàn)飽和限制。

2.2V-I特性

在柵電壓微小(VGS≈0 V),且漏電壓<20 V時(shí),利用Silvaco Tcad軟件模擬靜電感應(yīng)晶體管的I-V特性曲線,如圖3所示。器件擁有相對(duì)偏高的器件電流(約為10-5A級(jí)),其曲線簇近似于平面半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管[6],均類似于真空五極管。

圖3　基于硅的SIT在類五極管特性下的伏安曲線

圖3中顯示,柵壓不變時(shí),當(dāng)漏電壓較小,器件電流曲線幾乎為一條直線;當(dāng)漏電壓繼續(xù)增大到一定值(大于或等于膝點(diǎn)電壓)時(shí),I-V曲線變得平緩,器件電流逐漸趨于飽和。同時(shí),不同的柵偏壓對(duì)應(yīng)不同的電流曲線、不同的膝點(diǎn)電壓和漏電流,在圖3中,從上往下,柵極反偏電壓依次增大,漏電流相應(yīng)減小。

圖4　基于硅的SIT轉(zhuǎn)移特性曲線圖

在類五極管特性曲線圖3中可看出,當(dāng)柵壓反偏VGS<0 V,且持續(xù)增大時(shí),漏電流將快速減小,取VDS=10 V,得到的相應(yīng)漏電壓條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線。如圖4所示,曲線隨柵偏壓變化呈近似線性趨勢(shì)。

3類三極管特性

3.1溝道電勢(shì)分布

在類五極管特性分析的基礎(chǔ)上,若漏極加正偏壓且保持不變,繼續(xù)減小負(fù)柵壓VGS直到某一值時(shí),溝道徹底耗盡,此時(shí)靜電感應(yīng)晶體管處于夾斷狀態(tài),定義此刻的臨界負(fù)柵壓為相應(yīng)漏偏壓條件下的截止電壓。當(dāng)負(fù)柵壓VGS=-1.5 V時(shí),仿真器件的溝道電勢(shì)Contour圖,如圖5所示,易見(jiàn)此時(shí)溝道中,柵極區(qū)自建電勢(shì)區(qū)寬度向溝道中心擴(kuò)展并交錯(cuò),溝道已全部耗盡。

圖5　VG=-1.5 V時(shí),基于硅的SIT溝道耗盡圖

當(dāng)持續(xù)增大漏偏電壓,直到大于類五極管特性中所能體現(xiàn)的邊界值,靜電感應(yīng)晶體管的電流-電壓特性曲線將相似于PN結(jié),和真空三極管相類似。將靜電感應(yīng)晶體管這種工作特征稱為類三極管特性。

3.2V-I特性

圖6為靜電感應(yīng)晶體管的類三極管伏安曲線圖?？梢钥吹?當(dāng)反偏柵壓一定時(shí),隨著漏偏壓的大幅增加,溝道勢(shì)壘相應(yīng)降低,漏極區(qū)電子越過(guò)溝道勢(shì)壘進(jìn)入溝道區(qū),溝道導(dǎo)通將再次形成電流。當(dāng)漏偏電壓增大到一定數(shù)值時(shí),漏電流增大明顯且呈指數(shù)趨勢(shì)。特性曲線表明,隨著漏偏電壓均勻變化,曲線之間的間距基本相同,器件的放大倍數(shù)比較穩(wěn)定。另外,在該模式下器件電流相對(duì)于類五極管特性時(shí)變小。圖6(a)中,靜電感應(yīng)晶體管明顯表現(xiàn)出不飽和的類三極管特征[7-8],但將縱坐標(biāo)變?yōu)閷?duì)數(shù)值后,可明顯看出曲線表現(xiàn)為不同的特征,按照漏電流變化趨勢(shì)依次將曲線分為預(yù)夾斷零區(qū)、指數(shù)增長(zhǎng)區(qū)和線性平緩區(qū),如圖6(b)所示。

圖6　基于硅的SIT在類三極管特性下的I-V曲線圖

其中,預(yù)夾斷零區(qū)[9]為圖6(b)中曲線簇最下端部分,在柵偏壓很低(VDS<50 V)時(shí),器件漏電流較小,約等于10-12A,所以可認(rèn)為在這個(gè)漏偏壓范圍內(nèi)曲線為死區(qū),或是電流產(chǎn)生區(qū)。對(duì)常開型靜電感應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu),柵區(qū)的耗盡層沒(méi)有相互連接在一起,溝道呈打開狀態(tài),所以也就沒(méi)有預(yù)夾斷區(qū)。對(duì)于常關(guān)型靜電感應(yīng)晶體管,柵極區(qū)的溝道耗盡層相互連接,溝道呈夾斷狀態(tài),當(dāng)VDS的逐漸增加,柵極區(qū)耗盡層相應(yīng)向漏區(qū)擴(kuò)展,此時(shí)形成預(yù)夾斷狀態(tài)。繼續(xù)增大VDS,漏極電子在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入溝道區(qū)并向柵極移動(dòng),從而產(chǎn)生電流。其器件電流大小為

(1)

指數(shù)增長(zhǎng)區(qū),隨著漏電壓繼續(xù)增大,漏極電流以近乎指數(shù)形式迅速增加,這種增長(zhǎng)形式是由漏電場(chǎng)與勢(shì)壘高度的變化關(guān)系決定的,其主要原因是在該區(qū)域溝道勢(shì)壘隨著漏偏壓的增大而迅速下降。在這個(gè)區(qū)域,柵極偏壓直接影響著預(yù)夾斷區(qū)向指數(shù)區(qū)過(guò)度的轉(zhuǎn)折電壓,同時(shí)影響著指數(shù)區(qū)曲線的斜率大小。就整體曲線而言,這個(gè)區(qū)域SIT的電流對(duì)漏極偏壓非常敏感,因此被用作放大器是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

線性平緩區(qū),針對(duì)同一柵極反偏電壓,隨著靜電感應(yīng)晶體管的漏極偏壓VDS的增大,伏安特性曲線變平坦,器件電流呈線性趨勢(shì),步入線性變化區(qū)。在圖6(b)中,從下往上往右,隨著VGS的增大,漏電流的橫向增量明顯加大。

在靜電感應(yīng)晶體管工作時(shí),可看到靜電感應(yīng)晶體管的電流按變化趨勢(shì)分為三個(gè)區(qū)段,其中源極電流IS等于漏極電流ID,而溝道勢(shì)壘的高低直接控制其大小

(2)

在式(2)中,Dn代表電子的擴(kuò)散系數(shù);Nsub代表溝道漂移區(qū)的摻雜濃度;Aeff代表溝道實(shí)際有效的溝道寬度;φC代表溝道勢(shì)壘的高度。分析式(2),勢(shì)壘高度是變量,其余均為常量,則對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)確定的靜電感應(yīng)晶體管器件,器件電流僅受控于溝道勢(shì)壘高度。另外,和類五極管電流-電壓特性曲線相似,所選擇的柵壓直接影響著每一條類三極管電流-電壓特性曲線的變化。若再增大反偏的柵壓,關(guān)斷電壓也就是膝點(diǎn)電壓將會(huì)變得更高,當(dāng)反向VGS足夠大時(shí),柵源間將發(fā)生擊穿,此時(shí),即為關(guān)斷電壓的最大值。所以,靜電感應(yīng)晶體管通過(guò)較小的反偏柵壓匹配相當(dāng)大的漏源電壓,且可以阻滯溝道電子流動(dòng)。

4結(jié)束語(yǔ)

利用軟件SilvacoTcad中器件仿真Atlas模塊對(duì)靜電感應(yīng)晶體管溝道電勢(shì)分布和伏安特性進(jìn)行了仿真模擬。得到了靜電感應(yīng)晶體管在不同條件下表現(xiàn)為類五極管飽和特性和類三極管不飽和特性,并對(duì)其溝道狀態(tài)分布原因和器件工作機(jī)理進(jìn)行了理論研究,仿真結(jié)果和器件實(shí)際特性完全吻合。本文所取得的結(jié)果可在較大程度上避免當(dāng)前器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盲目性,給工藝實(shí)際起到了理論指導(dǎo)作用,并增強(qiáng)了制造過(guò)程中技術(shù)措施的針對(duì)性。

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Research on and Simulation of Static Induction Transistor Based on Silicon Substrate

WANG Fuqiang,QU Yibin,MA Xingkong

(Troop 93856,PLA,Lanzhou 730070,China)

AbstractThe practice process of static induction transistor (SIT) stays ahead of theoretical research.A theoretical research on the electrical performance of the SIT based on Silicon by is performed from the point of device simulation using the Silvaco Tcad software.The results show that the I-V performance of the device is the class pentode saturation characteristic,with a device current of about 10(-5) A and pre-pinch off channel state at about 0 V reverse bias gate voltage and 0～20 V drain voltage.Secondly,under the condition of -1.5 V reverse bias gate voltage and 0～300 V drain voltage,the I-V performance of the device shows the class triode unsaturated characteristic curve,with a device current of approximately 10(-6) A and completely pinched off channel.

Keywordsstatic induction transistor;channel barrier;device simulation

中圖分類號(hào)TN32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-012-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.004

作者簡(jiǎn)介:王富強(qiáng)(1988—),男,碩士。研究方向:器件和集成電路設(shè)計(jì)。

收稿日期:2015- 08- 25