93856部隊(duì) 王富強(qiáng) 馬行空 瞿宜斌

表面柵靜電感應(yīng)晶體管溝道勢(shì)壘形成機(jī)理研究

93856部隊(duì) 王富強(qiáng) 馬行空 瞿宜斌

為了研究靜電感應(yīng)晶體管（SIT）勢(shì)壘形成機(jī)理，本文利用Silvaco Tcad軟件模擬，仿真分析了溝道勢(shì)壘對(duì)柵、漏極電壓的依賴關(guān)系。通過(guò)改變反偏柵壓和漏偏壓，得出了器件溝道在完全夾斷狀態(tài)下，溝道勢(shì)壘成馬鞍型分布。反偏柵壓影響著器件導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，漏偏壓影響著勢(shì)壘的高低，且二者相互依賴，共同影響著溝道勢(shì)壘的形成。

靜電感應(yīng)晶體管；溝道勢(shì)壘；鞍電勢(shì)

引言

作為具有類三極管特性的靜電感應(yīng)晶體管[1]因其具有的高頻特性、功率放大性能、高耐壓、線性度好、電流容量大、阻斷增益高等一系列優(yōu)異性能，而被廣泛應(yīng)用。但是靜電感應(yīng)晶體管的理論研究具有唯象性[2]，利用CAD軟件的研究還不多見(jiàn)，且理論研究遲滯于實(shí)踐過(guò)程。本文利用Silvaco Tcad軟件的器件仿真模塊Atlas[3]，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，仿真和分析了靜電感應(yīng)晶體管溝道勢(shì)壘形成機(jī)理。

1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因表面柵結(jié)構(gòu)可以制作出功率小、電流容量大和頻率較高（音頻范圍）的靜電感應(yīng)晶體管，且容易在實(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，本文在研究靜電感應(yīng)晶體管溝道勢(shì)壘形成機(jī)理時(shí)選用表面柵結(jié)構(gòu)。其仿真研究采用的元胞結(jié)構(gòu)中，器件深度為200μm，器件寬度為15μm，柵極區(qū)和源極區(qū)離子注入窗口寬度均為1μm，柵極區(qū)擴(kuò)散結(jié)深和表面摻雜濃度分別為7μm和1×1019cm-3，源極區(qū)擴(kuò)散結(jié)深和表面濃度分別為1μm和5×1018cm-3，漏極區(qū)淀積深度和表面濃度分別為45μm和1×1019cm-3。

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)。

2 勢(shì)壘高度對(duì)柵極電壓的依賴關(guān)系

為了更加清楚地了解柵極電壓和漏極電壓對(duì)溝道勢(shì)壘高度的影響，如何控制和影響器件電流-電壓的特性，先對(duì)溝道勢(shì)壘高度進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。對(duì)于本文研究的常開(kāi)型靜電感應(yīng)晶體管，當(dāng)反偏柵壓VGS大于某一值時(shí)，耗盡區(qū)從柵極區(qū)向源極區(qū)擴(kuò)展，最終匯合在溝道中心。這使得溝道狀態(tài)從打開(kāi)到預(yù)夾斷，再到完全夾斷耗盡，同時(shí)也阻斷漏極區(qū)越過(guò)漂移區(qū)向溝道區(qū)漂移和擴(kuò)散的電子，從而阻斷電流。當(dāng)漏電壓一定且為一個(gè)較小數(shù)值時(shí)，縱方向溝道內(nèi)耗盡區(qū)對(duì)電流產(chǎn)生勢(shì)壘。圖2仿真了靜電感應(yīng)晶體管勢(shì)壘高度的三維分布圖。

圖1 器件內(nèi)部相關(guān)參量示意圖

圖2 基于硅襯底SIT在類三極管特性下的鞍電勢(shì)圖

從圖2中可以看出，靜電感應(yīng)晶體管在類三極管模式下的電勢(shì)三維圖的形狀是馬鞍型，這是因?yàn)榘半妱?shì)形成源于柵偏壓VGS和漏偏壓VDS兩個(gè)方向，溝道內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的電勢(shì)都是這兩個(gè)垂直方向電壓的矢量和。該鞍電勢(shì)位于溝道的幾何中心，即在溝道橫向Wch和溝道縱向Lch中心線的交點(diǎn)處。這個(gè)勢(shì)壘位置被稱為“鞍點(diǎn)”[4-6]，其峰值大小常被稱為“鞍電勢(shì)”，也就是常說(shuō)的勢(shì)壘電壓[7-8]，它阻止了漏極區(qū)電子向源極區(qū)的流動(dòng)。

圖3(a)仿真了靜電感應(yīng)晶體管溝道電勢(shì)沿著溝道中心的分布情況（VDS=0V）。從圖中可以看出，隨著反偏柵壓的增大，溝道電勢(shì)也相應(yīng)增大，曲線展寬表明溝道耗盡層長(zhǎng)度變長(zhǎng)；圖3(b)模擬了平行于器件表面方向溝道勢(shì)壘分布情況（VDS=0V），從圖中可以看出，溝道勢(shì)壘位于溝道中心，隨著反偏柵壓的依次增大，鞍型曲線更加明顯。同時(shí)，圖3(b)中曲線分布均勻，鞍電勢(shì)的變化與反偏柵壓幾乎一致，所以可以肯定鞍電勢(shì)和反偏柵壓之間保持著線性關(guān)系。

(a)溝道電勢(shì)沿溝道中心方向分布

圖3 不同柵壓下，溝道勢(shì)壘隨漏偏壓變化

圖4仿真了不同柵壓下溝道內(nèi)電子濃度的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)反偏柵壓為零時(shí)，溝道電子濃度曲線最為平緩，此時(shí)溝道處于預(yù)夾斷狀態(tài)，較小的漏電壓下，勢(shì)壘高低迅速降低，漏電流達(dá)到較大值；當(dāng)反偏柵壓繼續(xù)增大（VGS＜-0.5V），電子濃度曲線在最低點(diǎn)重合，這表明溝道已完全夾斷。橫向方向上，電子濃度曲線隨著反偏柵壓的增大而左移，且其幅度反而變小。這表明溝道勢(shì)壘屏蔽層隨著柵偏壓的增大而展寬，

但其展寬幅度越來(lái)越小，換句話說(shuō)，耗盡層變厚，鞍電勢(shì)位置點(diǎn)向漏極區(qū)靠近。

圖4 不同柵壓下，沿溝道中心電子濃度變分布

3 勢(shì)壘高度對(duì)漏極電壓的依賴關(guān)系

在分析了勢(shì)壘對(duì)柵偏壓的依賴關(guān)系時(shí)，其實(shí)已經(jīng)進(jìn)行了漏偏壓的大小對(duì)鞍電勢(shì)的影響的理論分析。圖5仿真得出同一柵壓和不同柵壓下溝道電勢(shì)隨漏偏壓變化圖。從圖5(a)可以看出，當(dāng)VG=-2.5V，VDS較低時(shí)（VDS＜100V），隨著漏偏壓VDS增加，溝道電勢(shì)先減小后增大，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)就是鞍電勢(shì)位置點(diǎn)。隨著漏偏壓VDS增大，鞍電勢(shì)反而減小，同時(shí)鞍電勢(shì)位置點(diǎn)移向源極區(qū)。另外，溝道電勢(shì)的降低以源極為不變值，其他的點(diǎn)隨漏偏壓的變化符合鞍型趨勢(shì)。從圖5(b)給出的溝道勢(shì)壘的變化曲線可以看出，當(dāng)漏偏壓VDS較大時(shí)（VDS＞100V），溝道電勢(shì)曲線圖和漏偏壓較低時(shí)（VDS＜100V）基本一致，但不同于前者的是當(dāng)鞍點(diǎn)靠近到源極區(qū)時(shí)，鞍電勢(shì)位置點(diǎn)隨VDS的變化趨勢(shì)會(huì)很小，同時(shí)當(dāng)VDS=125V、VDS=150V、VDS=175V時(shí)對(duì)應(yīng)的三條曲線縱方向溝道電勢(shì)變化也很小，說(shuō)明此時(shí)反偏柵電壓對(duì)溝道勢(shì)壘的影響已經(jīng)微乎其微。

總之，漏偏壓大小影響著鞍電勢(shì)位置點(diǎn)在溝道中的高低，而柵偏壓直接影響著柵耗盡層是否擴(kuò)展至溝道中心，甚至相交，也就是溝道是否關(guān)閉。從圖6(a)可以看出，當(dāng)漏偏壓VDS=25V時(shí)，反偏柵壓越大，溝道勢(shì)壘位置點(diǎn)越靠近源極區(qū)，這表明在漏偏壓較小的情況下，反偏柵壓對(duì)溝道狀態(tài)有很好的調(diào)制作用；從圖6(b)可以看出，當(dāng)漏偏壓VDS=150V時(shí)，不同柵壓下的幾條鞍電勢(shì)曲線圖幾乎重合，這就充分說(shuō)明在漏偏電壓較大的情況下，鞍電勢(shì)位置點(diǎn)已經(jīng)緊靠源極區(qū)，此時(shí)柵偏壓的大小與溝道鞍電勢(shì)位置點(diǎn)的高度無(wú)關(guān)，反偏柵壓對(duì)溝道狀態(tài)失去了調(diào)制控制作用，可以忽略不計(jì)。另外，當(dāng)溝道電勢(shì)小于鞍電勢(shì)值時(shí)，器件因高低結(jié)整流而導(dǎo)致柵偏壓對(duì)鞍電勢(shì)影響很?。幌喾?，當(dāng)溝道電勢(shì)大于鞍電勢(shì)值時(shí)，柵極反偏電壓對(duì)器件的工作狀態(tài)有很大的影響，從而控制和調(diào)節(jié)器件電流的大小。所以，溝道鞍電勢(shì)由漏偏壓VDS和柵偏壓VGS通過(guò)這種類似于靜電感應(yīng)式的誘導(dǎo)控制著溝道勢(shì)壘高低，二者相互制約，共同影響著靜電感應(yīng)晶體管的電流-電壓特性。

圖6 漏偏壓一定，不同柵偏壓下溝道勢(shì)壘分布圖

4 結(jié)論

(a)沿溝道中心較小漏偏壓下溝道電勢(shì)變化

圖5 柵偏壓一定，不同漏偏壓下溝道勢(shì)壘分布圖

本文通過(guò)軟件Silvaco Tcad模擬仿真，得出了靜電感應(yīng)晶體管溝道鞍電勢(shì)的存在是在溝道完全夾斷條件下，且反偏柵壓影響著溝道導(dǎo)通狀態(tài)，并與鞍電勢(shì)保持線性關(guān)系，而漏偏壓影響著溝道勢(shì)壘的高低。另外當(dāng)反偏柵壓為-2.5V時(shí)，漏偏壓在100V范圍內(nèi)對(duì)溝道電勢(shì)影響較大，而大于100V后漏偏壓對(duì)溝道電勢(shì)影響微乎其微。當(dāng)漏偏壓較小時(shí)，柵偏壓對(duì)溝道電勢(shì)影響較大，當(dāng)漏偏壓較大時(shí)，柵偏壓對(duì)溝道電勢(shì)幾乎沒(méi)有影響。本文的研究對(duì)靜電感應(yīng)晶體管對(duì)工藝實(shí)踐起到理論指導(dǎo)作用。

[1]李思淵.靜電感應(yīng)器件作用原理[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2002.

[2]李思淵.靜電感應(yīng)器件—物理、工藝與實(shí)踐[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2001.

[3]朱筠.利用SILVACO TCAD軟件改進(jìn)集成電路實(shí)踐教學(xué)的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012,14(7):113-118.

[4]J.Nishizawa,T.Terasaki,and J.Shibata.Field-effect transistor versus analog transistor(static induction transistor).Electron Devices,IEEE Transactions on,1975,22(4):185-197.

[5]張琳嬌.小功率射頻靜電感應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)[D].蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[6]劉亞虎.音頻小功率靜電感應(yīng)晶體管的制作工藝[D].蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[7]Wang Y S,Liu S,Li S Y et al.Electrical Performance of Static Induction Transistor with Mixed I-V Characteristics.Chinese Journal of Semiconductors,2004,25(3):266-271.

[8]Hu D Q,Li S Y,and Wang Y S.Analysis on Characteristic of Static Induction Transistor Using Mirror Method,Chinese Journal of Semiconductors,2005,26(2):258-264.

王富強(qiáng)（1988—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殪o電感應(yīng)器件器件和集成電路的設(shè)計(jì)與研究。