王富強,瞿宜斌,馬行空

(中國人民解放軍第93856部隊,甘肅 蘭州　730070)

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基于硅襯底靜電感應晶體管器件仿真與研究

王富強,瞿宜斌,馬行空

(中國人民解放軍第93856部隊,甘肅 蘭州730070)

摘要針對靜電感應晶體管理論研究遲滯于實踐過程,文中利用軟件Silvaco Tcad,從器件仿真入手,對影響硅基表面柵靜電感應晶體管器件電學性能進行了理論研究。仿真得到了反偏柵壓約為0 V、漏電壓<20 V時,器件表現(xiàn)類五極管飽和特性曲線,器件電流約為10(-5) A,此時溝道狀態(tài)為預夾斷。當反偏柵壓為-1.5 V、漏電壓逐漸增大到300 V時,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,此時溝道狀態(tài)為完全夾斷,研究結果靜電感應晶體管工藝實踐提供了參考。

關鍵詞靜電感應晶體管;溝道勢壘;器件仿真

靜電感應晶體管是一種結構靈敏器件,因其集高電壓、大電流、高頻率和柵可關斷能力等優(yōu)異性能于一身,而得到廣泛應用[1]。但靜電感應晶體管作為新型半導體器件的一種,理論研究滯后于實踐過程,具有經驗性和唯象性,且利用計算機輔助研究也不多見。因此,本文通過半導體仿真軟件Silvaco Tcad對器件進行仿真模擬,達到對器件的理論研究和直觀剖析其工作的物理機理的目的。

靜電感應晶體管器件結構和材料參數(shù)直接影響著相應的電學參數(shù),且各參數(shù)間有著密切關系[2-3]。本文研究的表面柵型靜電感應晶體管是垂直場效應晶體管,溝道兩側的柵壓嚴格控制著溝道勢壘的高低,隨著柵源偏置電壓的變化以及器件結構參數(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器件結構設計

靜電感應晶體管器件典型結構包括表面柵型、溝槽柵型和隱埋柵型。無論何種結構,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特性的關鍵參數(shù)都有類似性,但表面柵結構可制作出功率小、電流容量大和頻率較高的靜電感應晶體管,且易在實驗中制作得到,同時通過軟件容易實現(xiàn)結構和工藝仿真。所以,為實現(xiàn)對靜電感應晶體管工作機理解釋和電學特性模擬,本文在仿真研究中采用表面柵結構靜電感應晶體管,其仿真研究采用的元胞結構參數(shù)如表1所示。

表1　仿真研究中采用的表面柵SIT元胞結構參數(shù)

器件結構如圖1所示。結構從上往下,從左往右,源極區(qū)為重摻雜的n+區(qū),柵極區(qū)為重摻雜p+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)為重摻雜的n+區(qū)。

圖1　器件內部相關參量示意圖

2類五極管特性

2.1溝道電勢分布

取VG=VS=0 V,利用Silvaco Tcad軟件模擬器件溝道電勢分布,結果如圖2所示,溝道處于預夾斷狀態(tài)。按照設計要求,柵壓為零時,溝道應為打開狀態(tài)。之所以在實際器件工藝生產中,柵極區(qū)耗盡層向溝道中心線擴展至恰好相交,這是因為實際柵極區(qū)摻雜工藝中,橫向擴散比較大,導致柵源之間已不是簡單的平面結,而是存在曲率的柱面結。

圖2　VG=0 V時,基于硅的SIT溝道電勢Contour圖

溝道完全夾斷前為預夾斷狀態(tài),對比真空管和靜電感應晶體管,后者更容易發(fā)現(xiàn)近似平面場效應管的類五極管模式,這是由于在半導體器件中,全部固態(tài)半導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)器件的相應飽和電流也更低,在類五極管特性時靜電感應晶體管更容易出現(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,利用Silvaco Tcad軟件模擬靜電感應晶體管的I-V特性曲線,如圖3所示。器件擁有相對偏高的器件電流(約為10-5A級),其曲線簇近似于平面半導體場效應晶體管[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,當漏電壓較小,器件電流曲線幾乎為一條直線;當漏電壓繼續(xù)增大到一定值(大于或等于膝點電壓)時,I-V曲線變得平緩,器件電流逐漸趨于飽和。同時,不同的柵偏壓對應不同的電流曲線、不同的膝點電壓和漏電流,在圖3中,從上往下,柵極反偏電壓依次增大,漏電流相應減小。

圖4　基于硅的SIT轉移特性曲線圖

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

3類三極管特性

3.1溝道電勢分布

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

圖5　VG=-1.5 V時,基于硅的SIT溝道耗盡圖

當持續(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,靜電感應晶體管的電流-電壓特性曲線將相似于PN結,和真空三極管相類似。將靜電感應晶體管這種工作特征稱為類三極管特性。

3.2V-I特性

圖6為靜電感應晶體管的類三極管伏安曲線圖?？梢钥吹?當反偏柵壓一定時,隨著漏偏壓的大幅增加,溝道勢壘相應降低,漏極區(qū)電子越過溝道勢壘進入溝道區(qū),溝道導通將再次形成電流。當漏偏電壓增大到一定數(shù)值時,漏電流增大明顯且呈指數(shù)趨勢。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于類五極管特性時變小。圖6(a)中,靜電感應晶體管明顯表現(xiàn)出不飽和的類三極管特征[7-8],但將縱坐標變?yōu)閷?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依次將曲線分為預夾斷零區(qū)、指數(shù)增長區(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,器件漏電流較小,約等于10-12A,所以可認為在這個漏偏壓范圍內曲線為死區(qū),或是電流產生區(qū)。對常開型靜電感應晶體管結構,柵區(qū)的耗盡層沒有相互連接在一起,溝道呈打開狀態(tài),所以也就沒有預夾斷區(qū)。對于常關型靜電感應晶體管,柵極區(qū)的溝道耗盡層相互連接,溝道呈夾斷狀態(tài),當VDS的逐漸增加,柵極區(qū)耗盡層相應向漏區(qū)擴展,此時形成預夾斷狀態(tài)。繼續(xù)增大VDS,漏極電子在電場的作用下進入溝道區(qū)并向柵極移動,從而產生電流。其器件電流大小為

(1)

指數(shù)增長區(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,這種增長形式是由漏電場與勢壘高度的變化關系決定的,其主要原因是在該區(qū)域溝道勢壘隨著漏偏壓的增大而迅速下降。在這個區(qū)域,柵極偏壓直接影響著預夾斷區(qū)向指數(shù)區(qū)過度的轉折電壓,同時影響著指數(shù)區(qū)曲線的斜率大小。就整體曲線而言,這個區(qū)域SIT的電流對漏極偏壓非常敏感,因此被用作放大器是個不錯的選擇。

線性平緩區(qū),針對同一柵極反偏電壓,隨著靜電感應晶體管的漏極偏壓VDS的增大,伏安特性曲線變平坦,器件電流呈線性趨勢,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。

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

(2)

在式(2)中,Dn代表電子的擴散系數(shù);Nsub代表溝道漂移區(qū)的摻雜濃度;Aeff代表溝道實際有效的溝道寬度;φC代表溝道勢壘的高度。分析式(2),勢壘高度是變量,其余均為常量,則對于一個結構確定的靜電感應晶體管器件,器件電流僅受控于溝道勢壘高度。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,關斷電壓也就是膝點電壓將會變得更高,當反向VGS足夠大時,柵源間將發(fā)生擊穿,此時,即為關斷電壓的最大值。所以,靜電感應晶體管通過較小的反偏柵壓匹配相當大的漏源電壓,且可以阻滯溝道電子流動。

4結束語

利用軟件SilvacoTcad中器件仿真Atlas模塊對靜電感應晶體管溝道電勢分布和伏安特性進行了仿真模擬。得到了靜電感應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,并對其溝道狀態(tài)分布原因和器件工作機理進行了理論研究,仿真結果和器件實際特性完全吻合。本文所取得的結果可在較大程度上避免當前器件結構設計的盲目性,給工藝實際起到了理論指導作用,并增強了制造過程中技術措施的針對性。

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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TN32

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-012-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.004

作者簡介:王富強(1988—),男,碩士。研究方向:器件和集成電路設計。

收稿日期:2015- 08- 25