Компактное моделирование кремниевого вертикального МОП-транзистора с двойной диффузией на Verilog-A в САПР Symica

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева

УДК 621.382.323

Компактное моделирование кремниевого вертикального МОП-транзистора с двойной диффузией на Verilog-A в САПР Symica

Студенников А.С., Цырлов А.М.,

Головко Н.В., Турин В.О.

Компактно промоделированы выходные характеристики кремниевого вертикального МОП - транзистора с двойной диффузией - основного элемента оптореле К249КП5Р. При моделировании использовалась, ранее разработанная, улучшенная компактная модель МОП-транзистора, обеспечивающая корректный учёт дифференциальной проводимости в режиме насыщения. Учтено насыщение скорости электронов, деградация подвижности под затвором и эффект саморазогрева. Моделирование велось в отечественной микроэлектронной САПР Symica с использованием разработанного Verilog-A модуля. Сопротивление стока, высокое из-за его слаболегированной вертикальной части, учтено в эквивалентной схеме.

Ключевые слова: МОП-транзистор с двойной диффузией, компактное моделирование, эффект саморазогрева, Verilog-A.

Кремниевый вертикальный МОП-транзистор с двойной диффузией (ДМОПТ) [1,2] является основным элементом микроэлектронного оптореле К249КП5Р, выпускаемого АО «Протон» и содержащего около двух тысяч ДМОПТ ячеек. Для компактного моделирования ДМОПТ мы использовали отечественную микроэлектронную САПР Symica и разработанный нами Verilog-A модуль. В основу аналитической части модели положена улучшенная модель МОП-транзистора [3-5], обеспечивающая корректный учёт дифференциальной проводимости в режиме насыщения с монотонным её убыванием от максимального значения в линейном режиме до положительного или отрицательного значения в режиме насыщения. Учтён эффект насыщения скорости электронов, деградация подвижности под затвором, уменьшение подвижности и скорости насыщения электронов и порогового напряжения с ростом температуры. При моделировании учитывалось сопротивления вертикальной высокоомной части стока, добавленное в эквивалентную схему, и эффекта саморазогрева. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Принципиальная схема оптореле и структура ДМОПТ ячейки представлены на Рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема оптореле К249КП5Р и структура ДМОПТ ячейки

Геометрические параметры элементарной ДМОПТ ячейки: W = 75 мкм - ширина затвора; d = 68 нм - толщина подзатворного окисла; L = 3,5 мкм - длина канала. Параметры при T = 300,15 К; µ_n0 = 505 см²/(В·с) - подвижность электронов в канале транзистора; v_s = =8·10⁶ см/с - скорость насыщения электронов; V_th = 2,2 В - пороговое напряжение. Относительная диэлектрическая проницаемость диоксида кремния _ox = 3,9. Стандартные степенные температурные зависимость подвижности и скорости насыщения были линеаризованы для улучшения сходимости. Для подвижности использовался степенной параметр = 2,5; для скорости насыщения = 0,87. Для температурной зависимости порогового напряжения использовалась линейная зависимость с температурным коэффициентом k = - 4,53·10^-4 К^-1.

Для удельной крутизны ДМОПТ получаем:

5,5Ч10^-4 А/В²

Тепловое сопротивление кристалл-среда для одной ячейки было оценено из предоставленных нам экспериментальных данных как R_th = 2500 К/Вт, которое использовалось в тепловой схеме транзистора при компактном моделировании. Для проводимости канала ДМОПТ в линейном режиме имеем:

.

При напряжении на затворе 4 В для сопротивления канала транзистора получается Ом. Последовательно с каналом в ДМОПТ включено большое паразитное сопротивление слаболегированной вертикальной части стока R_D. Для напряжения на затворе 4 В мы оценили полное сопротивление транзистора в линейном режиме из экспериментальных данных как Ом. Оно связано с и R_D уравнением:

.

Соответственно, легко оценить сопротивление вертикальной части стока ДМОПТ-ячейки как R_D = 2011 Ом, которое было использовано при компактном моделировании как сопротивление, последовательно подключённое к стоку ячейки МОП-транзистора, описываемого улучшенной компактной моделью [3-5].

При моделировании мы полагали: T = 300,15 К - температура окружающей среды; = = 0,15 В^-1 - параметр зависимости подвижности от напряжения на затворе; = 1,3 - безразмерный параметр, отражающий влияние подложки; = 0,02 В^-1 - параметр ненулевой дифференциальной проводимости в режиме насыщения (величина, соответствующая обратному значению напряжения Эрли, хорошо известному из теории биполярных транзисторов); m = 4,5 - безразмерный параметр, используемый в уравнении для аппроксимации тока стока.

Рисунок 2 - Экспериментальные выходные характеристики

Рисунок 3 - Электрическая (r = 2011 Ом) и тепловая (r = 2500 К/Вт, V2 = 300,15 К) схема ДМОП-транзистора, реализованная в редакторе программы Symica.

На Рисунке 2 представлены экспериментальные статические выходные характеристики ячейки ДМОПТ, для различных напряжений затвор-исток V_GS, предоставленные АО «Протон».

На Рисунке 3 представлена электрическая и тепловая схема, разработанная для моделирования выходных характеристик ДМОПТ с учётом саморазогрева в редакторе схем программы Symica. На Рисунке 4 представлены результаты моделирования, которые, как видно, достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными, представленными на Рисунке 2.

Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) и Администрацией Орловской области по гранту №12-02-97534, Министерством образования и науки РФ в рамках мероприятия № 71 программы развития студенческого соуправления в Госуниверситете - УНПК и, частично, в рамках проектной части государственного задания Госуниверситету - УНПК № 16.1117.2014/K.

Рисунок 4 - Выходная вольт-амперная и вольт-температурная характеристики при напряжении на затворе равном 3В (нижние кривые) и 7 В (верхние кривые) с шагом 1 В.

транзистор диффузия сопротивление тепловой

Список литературы

1. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов [Текст] / А. Блихер - Л.: «Энергоатомиздат». 1986. - 248 с.

2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х книгах. Кн. 1. [Текст] / С. Зи - М.: «Мир», 1984. - 456 с.

3. Turin V.O., Intrinsic compact MOSFET model with correct account of positive differential conductance after saturation. [Text] / Turin V.O., Sedov A.V., Zebrev G.I [et al.]. // Proc. SPIE. - 2009. -7521H. - P. 1-9.

4. Turin V.O. The correct account of nonzero differential conductance in the saturation regime in the MOSFET compact model [Text] / Turin V.O., Zebrev G.I., Makarov S.V. [et al.]. // International Journal of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. - 2014. -27. - P. 863-874.

5. Турин В.О. Корректный учёт ненулевой дифференциальной проводимости в режиме насыщения в компактной модели полевого нанотранзистора [Текст] / В.О. Турин, Г.И. Зебрев, Б.Инигез [и др.]. // Наноинженерия. - 2012. - 8. C. 41-48.

6. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники [Текст] / Г.И. Зебрев - М.: МИФИ. 2008. - 240 с.

Размещено на Allbest.ru