WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

КЛЮЧНИКОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ

ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ С ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОЩАДЬЮ ПРИ

ПОМОЩИ СРЕДСТВ ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Специальность 05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Королёв М.А.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Петросянц К.О.

к.т.н. Поломошнов С.А.

Ведущая организация:

ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон»

Защита диссертации состоится “_” _ 2007 г., в часов на заседании диссертационного Совета Д 212. 134. 01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан “” _2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор Неустроев С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одним из перспективных направлений современной силовой полупроводниковой электроники являются интеллектуальные силовые схемы. Среди широкого перечня подобных приборов можно выделить следующие основные группы:

1. Силовые ключи с одной или несколькими встроенными системами защиты. Для управления данными приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспечивают защиту от перенапряжений, токовых перегрузок и температурных воздействий.

2. Силовые ключи с интегрированными функциями защиты и управления. Данные приборы получили название силовых интегральных схем и, как правило, разрабатываются для конкретной области применения, например в ключевых источниках электропитания или схемах управления электродвигателями на мощности до единиц киловатт.

3. Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules). Данные схемы строятся на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) для применения в преобразователях на десятки и сотни киловатт мощности нагрузки.

Интеллектуальные схемы находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроники.

В интеллектуальных силовых интегральных схемах возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и низковольтных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними. Мощные элементы реализуются, как правило, в виде ДМОП-транзисторов (МОПтрназисторы изготовленные методом двойной диффузии), а интеллектуальная часть схемы выполняется на основе планарных КМОП-транзисторов. Совмещенная технология изготовления этих элементов удорожает производство и приводит к существенному влиянию силовых элементов на функционирование маломощных приборов. Также существующие планарные мощные МОП-транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение.

Поэтому изготовление мощных ДМОП-транзисторов ведется на отдельном кристалле, что значительно повышает напряжение пробоя прибора и увеличивает ток.

Однако с увеличением пробивного напряжения возрастает сопротивление. Одним из возможных технических решений уменьшения сопротивления является использование структуры с множеством параллельных ячеек, что приводит к возрастанию площади транзистора. А это в свою очередь ведет к снижению быстродействия и повышению стоимости кристалла. Для решения данной проблемы необходимо провести исследование и разработку мощных ДМОПтранзисторов, обладающих заданными электрическими характеристиками (пробивное напряжение и сопротивление) и минимальной площадью.

Самым эффективным методом исследования мощных ДМОПтранзисторов является приборно-технологическое моделирование, которое позволяет без существенных затрат на изготовление исследовать влияние конструктивно-технологических особенностей на характеристики прибора. Для этого необходимо разработать методику моделирования ДМОП-транзистора.

Цель работы. Целью данной работы является исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания мощных ДМОП-транзисторов с оптимальной площадью при помощи средств приборно-технологического моделирования Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:

1. Провести анализ исследуемых приборных структур как объектов приборно-технологического моделирования.

2. Проанализировать факторы, влияющие на основные параметры ДМОП-транзистора.

3. Разработать методики расчета охранной области ДМОПтранзистора при помощи приборно-технологического моделирования.

4. Разработать методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных вертикальных ДМОП-транзисторов.

Научная новизна.

1. Разработана вычислительная модель мощного ДМОПтранзистора, позволяющая получить оптимальную площадь прибора при заданных электрических характеристиках (пробивное напряжение и сопротивление).

2. Получены и объяснены зависимости лавинного пробоя охранной области от параметров структуры с кольцами. Установлено, что зависимость лавинного пробоя от расстояния между кольцами имеет максимум. При увеличении числа колец пробивное напряжение растет и стремится к напряжению пробоя плоского перехода, но не достигает его.

3. Разработана методика расчета охранной области высоковольтного ДМОП-транзистора, применимая ко всем приборам данного типа.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика математического приборнотехнологического моделирования, позволяющая провести оптимизацию площади мощных ДМОП – транзисторов.

2. Результаты приборно-технологического моделирования позволили внести изменения в топологию и технологический маршрут создания мощного ДМОП – транзистора с заданными электрическими характеристиками (пробивное напряжения и сопротивление) и оптимальной площадью занимаемой прибором.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены в рамках научно-исследовательских работ и в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете).

Методика моделирования мощных ДМОП-транзисторов апробирована при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «НИИМЭ и завод Микрон», г. Москва.

Представляются к защите.

1. Разработанная методика моделирования мощного ДМОПтранзистора с заданными электрическими параметрами и оптимальной площадью.

2. Разработанная методика расчета охранной области ДМОПтранзистора.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006 г.

- VIII международная конференция «актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2006 г.

- Десятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006;

- IV Международная научно-техническая школа-конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения Intermatic-2006», 2006 г.

- 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006", Москва, Зеленоград, 2006 г.

- 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, Зеленоград, 2007 г.

- Восьмая международная конференция по электронным приборам и материалам “EDM-2007”, 2007 г., Эрлагол.

- Шестая научно-техническая конференция “Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА”, 2007 г., Владимир.

- Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2007»

(МНЭ-2007), 2007 г., Липки.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, содержащих акты об использовании результатов работы, списка использованных источников из 51 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор основных направлений развития такого направления силовой электроники как интеллектуальные силовые схемы. Дается определение данного типа схем, определяется их состав и выполняемые функции, а именно: управления мощностью;

самозащиты ключа и слежения за состоянием нагрузки; взаимодействия с логическими схемами.

Показано, что параметры конструкции мощного элемента определяют область применения интеллектуальной силовой схемы. Из вышесказанного следует вывод, что мощный элемент является важнейшим элементом интеллектуальной силовой схемы.

Проведен анализ требований к мощному элементу схемы. При работе в ключевом режиме мощный элемент характеризуется рядом сильно взаимосвязанных между собой параметров: сопротивление во включенном состоянии, максимальное напряжение пробоя в закрытом состоянии, быстродействие и занимаемая площадь. Максимальная величина напряжения пробоя полупроводникового прибора в частности определяется размером области пространственного заряда перехода.

Таким образом, минимальные размеры мощного элемента обуславливаются тем, какое максимальное напряжение способен выдерживать мощный прибор. В свою очередь, чем больше занимаемая прибором площадь, тем больше паразитные емкости и соответственно меньше быстродействие мощного элемента.

Был проведен анализ приборов пригодных для использования в качестве мощного элемента схемы. В этом качестве рассматривается такие приборы как тиристоры, биполярные транзисторы, БТИЗ, вертикальные и планарные ДМОП-транзисторы. Показано, что:

- мощные биполярные транзисторы имеют низкое быстродействие из-за накопления неосновных носителей в базе и требуют больших управляющих токов и сложных схем управления;

- мощные планарные ДМОП-транзисторы используют тонкие эпитаксиальные слои и имеют большее, чем мощные биполярные транзисторы быстродействие. Однако сопротивление ДМОПтранзистора во включенном состоянии велико;

- мощные вертикальные ДМОП-транзисторы имеют низкое сопротивление транзистора, но площадь, занимаемая прибором велика;

- мощные ДМОП-транзисторы с вертикальным затвором имеют низкое сопротивление, но пробивное напряжение таких транзисторов не велико;

- транзисторы, изготовленные по технологии CoolMOS, имеют лучшие характеристики по пробивному напряжению и сопротивлению, но производство таких транзисторов удорожает производство и усложняет технологию изготовления.

В результате анализа возможных структур мощных приборов, была выбрана структура вертикального ДМОП-транзистора, технология изготовления, которого наиболее проста.

Выбор оптимальной конструкции мощного ДМОП–транзистора с заданными электрическими характеристиками, имеющего оптимальную площадь составляет основную часть данной работы.

Было показано, что использование приборно-технологического моделирования при проведении исследования структуры мощного ДМОП-транзистора позволяет существенно уменьшить число варьируемых в эксперименте параметров. При этом необходимо выбрать инструмент и разработать методику моделирования, для эффективного проведения расчетной оптимизации структуры мощного ДМОП–транзистора.

Проведенный обзор литературы по силовым приборам для интеллектуальной схемы позволил сформулировать основные задачи диссертационной работы, решения которых изложены в последующих главах.

В главе 2 рассмотрены существующие программы приборнотехнологического моделирования. Рассмотрен состав и основные возможности приборно-технологической САПР (TCAD) применительно к моделированию мощных приборов. Проведен анализ методов определения напряжения пробоя мощного ДМОП-транзистора с использованием TCAD. При этом возможно использование нескольких приемов:

- расчет, построение и анализ ВАХ транзистора. Данный метод был использован для расчета пробоя охранной области ДМОП-транзистора.

Для его реализации необходимо решать уравнение Пуассона совместно с уравнениями непрерывности для электронов и дырок;

- расчет напряжения лавинного пробоя ячейки ДМОП-транзистора на основе решения только уравнения Пуассона и вычисления ионизационных интегралов (Пуассон-анализ). В Пуассон-анализе величина напряжения пробоя не зависит от тока, а определяется распределением электрического поля, которое рассчитывается на основе распределения примеси с помощью уравнения Пуассона.

Ионизационный интеграл представляет собой соотношение для эффективной скорости ударной ионизации для электронов и дырок, полученное при рассмотрении эффекта лавинного пробоя p-n перехода.

Интегрирование идет по ширине ОПЗ. Условием пробоя считается равенство ионизационного интеграла единице.

Также было показано, что расчет напряжения лавинного пробоя p-n перехода с полевой обкладкой на основе расчета ВАХ и на основе Пуассон-анализа дают практические схожие результаты.

Было показано, что для расчета сопротивления транзистора необходимо рассчитывать выходные ВАХ. При расчете сопротивления ДМОП-транзистора саморазогрев не учитывался, так как напряжение на стоке было мало и не оказывало влияние на сопротивление. Но при больших напряжениях на стоке эффект саморазогрева оказывал значительное влияние. Для учета эффекта саморазогрева необходимо использовать не стандартную дрейфово-диффузионную, а термодинамическую модель, которая предполагает, что температура носителей и подложки одинакова и изменяется в результате подачи напряжения.

В главе 3 было проведено исследование закономерностей, связывающих пробивное напряжение с конструктивнотехнологическими параметрами мощного вертикального ДМОПтранзистора.

Показано, что пробивное напряжение ДМОП-транзистора обусловлено пробоем p-n перехода. Для анализа влияния конструктивно-технологических параметров на пробивное напряжение ДМОП-транзистора необходимо провести влияние этих параметров на пробой p-n перехода. Пробивное напряжение p-n перехода зависит от следующих параметров: концентрации по обеим сторонам перехода, кривизны перехода и от заряда на границе раздела Si-SiO2. Для повышения напряжения пробоя p-n перехода используют различные методы. Основными методами являются метод использования полевой обкладки и метод использования охранных колец или совместное использование полевой обкладки и охранных колец.

Показано, что при использовании полевой обкладки наблюдается максимум пробивного напряжения при изменении длины полевой обкладки (толщина окисла остается постоянной, толщина подложки не препятствует распространению ОПЗ) и при изменении толщины окисла (длина полевого электрода остается постоянной, толщина подложки не препятствует распространению ОПЗ). То есть для любой длины полевой обкладки найдется толщина пленки окисла, при которой наблюдается максимум пробивного напряжения и наоборот. При наличии и увеличения заряда в оксиде кремния, пробивное напряжения снижается.

Значительно на величине пробивного напряжения сказывается значение заряда в оксиде более 1011 см-2.

При использовании полевой обкладки значение пробивного напряжения гораздо ниже, чем необходимо в высоковольтных приборах, поэтому для высоковольтных структур используют охранные кольца (рисунок 1), где Wbr – расстояние между кольцами, Wr – ширина кольца, xjp – глубина залегания p-n перехода, Hepi – толщина эпитаксиальной пленки.

Для понимания того, как влияет охранное кольцо на напряжение пробоя и уменьшения времени расчета достаточно использования программ MDRAW и DESSIS, конечная структура просчитывается в DIOS. Структура составляется в редакторе MDRAW, а затем просчитывается в программе DESSIS. Распределение p+ областей задается распределением Гаусса с боковым уходом равным единице и с концентрацией на поверхности 1020 см-3, концентрация примеси n-типа равна 1014 см-3, n+ - 1017 см-3, так как концентрация в n+-область велика, ширина ОПЗ будет не велика и n+-область можно не принимать в расчет.

Было рассмотрено два подхода к расчету пробивного напряжения.

Первый подход: возьмем структуру с одним кольцом, как показано на рисунке 1 и будем менять расстояние Wbr между основным переходом и охранным кольцом для достижения максимального напряжения пробоя. Видно, что при определенном расстоянии Wbr напряжение пробоя будет максимально, данное расположение и будет являться оптимальным. Далее добавляем второе кольцо и меняем расстояние между 1 и 2 кольцами, а расстояние между переходом и кольцом сохраняем прежнее. И так далее, приходим к тому, что добавление второго кольца незначительно увеличивает пробивное напряжение, а добавление третьего и последующих колец не приводит к увеличению напряжения пробоя. Данный эффект объясняется тем что весь приложенный потенциал падает на основном переходе и кольце и при добавлении второго и последующих колец, перераспределение потенциала у основного перехода практически не происходит и пробивается всегда основной переход.

Второй подход: заключается в том, что расстояние между первым и вторым кольцами после добавления второго кольца, не меняется и остается равным расстоянию между переходом и кольцом, полученному в структуре с одним кольцом. Таким образом, меняя расстояние между переходом и вторым кольцом, опять находим оптимум, при котором наблюдается максимум напряжения пробоя. И вот при таком подходе мы получаем, что добавление кольца приводит постоянно к повышению пробивного напряжения, и стремится, но не достигает напряжения пробоя плоского перехода. И если расстояние оптимально, то напряженность поля будет одинакова у всех переходов.

При увеличении глубины залегания перехода, пробивное напряжение будет возрастать, потому что увеличивается кривизна перехода.

Из зависимости напряжения пробоя от расстояния между переходом и кольцом для разного количества колец и для различных значений заряда в окисле видно, что с увеличением заряда напряжение пробоя снижается из-за более сильного обогащения приповерхностной области основными носителями заряда. Рассмотрим структуру с одним кольцом.

Из зависимости видно, что при определенном расстоянии между переходом и кольцом, наблюдается максимум пробивного напряжения, назовем данное расстояние оптимальным. Если расстояние между переходом и кольцом меньше оптимального, то пробой происходит у кольца и пробивное напряжение снижается. Если же расстояние больше оптимального, то пробой происходит у основного перехода и напряжение пробоя также уменьшается. Из-за перераспределения потенциала во всей структуре с кольцами, происходит увеличение ОПЗ, что ведет к уменьшению и перераспределению поля, а это в свою очередь ведет к увеличению пробивного напряжения.

Напряжение пробоя в структуре с кольцами не изменяется, если толщина эпитаксиальной пленки больше ширины ОПЗ, так как нет ограничения распространению ОПЗ. Ширина ОПЗ при толщине пленки, не ограничивающей ее в структурах с одним, двумя и тремя кольцами равна 56,7 мкм, 62,7 мкм и 65,7 мкм соответственно (заряд в оксиде Nss = 0 см-2).

При увеличении числа колец значение пробивного напряжения возрастает и стремится к значению пробивного напряжения плоского перехода, но не достигает его. Напряжение пробоя плоского p-n перехода равно 796 В, напряжение пробоя цилиндрического p-n перехода равно 254 В. Напряжение пробоя в структуре состоящей из семи охранных колец равно 710 В.

На практике возможно совместное использование охранных колец и полевой обкладки. Hа рисунке 2 показана структура с одним кольцом и с полевыми обкладками у перехода и кольца, где L – длина полевой обкладки основного перехода, L1 – длина полевой обкладки кольца.

Расчет проводился по тому же методу, по которому рассчитывались охранные кольца.

Рисунок 2 - Структура с полевой обкладкой и охранным кольцом Напряжение пробоя в структуре, показанной на рисунке 2, увеличивается с увеличением длины полевой обкладки у основного перехода, и зависимость имеет максимум напряжения пробоя при определенном расстоянии между переходом и кольцом (L1=const).

Такая же зависимость наблюдается при увеличении полевой обкладки у кольца (L=const). Но из анализа зависимостей видно, что пробой существенно растет при увеличении полевой обкладки у кольца. Это объясняется тем, что чем меньше длина полевой обкладки у основного перехода, тем более полно происходит перераспределение потенциала.

Также возможна следующая конструкция с полевыми обкладками и кольцами, когда полевые обкладки у кольца и основного перехода направлены навстречу друг другу.

В результате анализа данной конструкции были получены зависимости пробивного напряжения от расстояния между переходом и кольцом, из которых видно, что при увеличении длины полевой обкладки у перехода (L1=const) напряжение пробоя не изменяется, что объясняется неизменностью распределения потенциала в структуре.

При увеличении полевой обкладки у кольца (L=const) пробивное напряжение уменьшается, так как потенциал от основного перехода в меньшей степени оказывает влияние на кольцо.

На пробивное напряжение ДМОП-транзистора оказывают влияние параметры ячейки прибора (рисунок 3).

Чем больше глубина залегания p-n перехода при толщине эпитаксиальной пленки, не ограничивающей ОПЗ, тем больше пробивное напряжение, так как увеличивается радиус кривизны перехода.

Если толщина эпитаксиальной пленки такова, что происходит ограничение ОПЗ, то при увеличении глубины залегания p-n перехода, пробивное напряжение будет уменьшаться, так как уменьшается ширина ОПЗ. При увеличении Lg напряжение пробоя уменьшается, что связано с перемещением области пробоя к поверхности, а при увеличении Lp+ пробивное напряжение возрастает, что связано с увеличением кривизны сферического перехода.

Изменяя Lp, необходимо получить пороговое напряжение в диапазоне от 2 до 4 В. Заданное пороговое напряжение мы получим при значениях Lp более 5 мкм.

Рисунок 3 - Ячейка ДМОП-транзистора и параметры, влияющие на В главе 4 были определены зависимости сопротивления транзистора от его конструктивно-технологических параметров.

Сопротивление в открытом состоянии складывается из нескольких компонентов, показанных на рисунке 4:

RDS(on) = RSOURCE + RCH + RA + RJ + RD + RSUB + Rwcml, где RSOURCE – сопротивление области истока, RCH – сопротивление канала, RA – сопротивление в области накопления, RJ – сопротивление между истоками, RD – сопротивление дрейфовой области, RSUB – сопротивление подложки, Rwcml – сопротивление внешних выводов На рисунке 5 показан вклад каждой компоненты сопротивления в RDS(on) для структур, имеющих различное пробивное напряжение. Как видно из рисунка, в высоковольтных структурах доминирует сопротивление эпитаксиальной пленки и компоненты сопротивления между областями истока (p-областями). При низких пробивных напряжениях преобладающим является сопротивление канала и сопротивление внешних выводов.

Рисунок 4 - Компоненты сопротивления ДМОП-транзистора.

Рисунок 5 - Соотношение между сопротивлениями входящими в RDS(on) для структур с различным значением пробивного напряжения.

В Таблице 1 показано процентное соотношение вкладов каждого сопротивления в величину сопротивления открытого канала для трех значений приложенного напряжения.

Таблица 1 - Вклад различных составляющих в величину сопротивления открытого канала для типичного кристалла МОП транзистора Составляющая В соответствии с физикой работы полупроводниковых приборов из предыдущего рассмотрения можно сделать два вывода, справедливых для всех ДМОП приборов:

1. RDS(on) возрастает вместе с увеличением напряжения пробоя МОП структуры.

2. Минимальное значение сопротивления RDS(on) приносится в жертву требованиям высокого напряжения пробоя.

Величина сопротивления RJ +RD в высоковольтных приборах имеет большое значение потому, что для областей стока используются толстые слаболегированные эпитаксиальные слои, необходимые для того, чтобы избежать появления сильных электрических полей (и преждевременного пробоя) в теле прибора. Поскольку эпитаксиальные слои изготавливаются с большими значениями толщины и удельного сопротивления, объемная компонента сопротивления RDS(on) быстро возрастает и начинает преобладать над остальными составляющими.

Однако существует способ обойти это препятствие. Включая параллельно большое количество ячеек можно получить малое значение RDS(on) на кристалле большей площади. Платой за использование кристаллов большой площади является увеличение себестоимости прибора. И поскольку площадь кристалла увеличивается экспоненциально, а не линейно с ростом напряжения пробоя, выбор подходящей себестоимости производства имеет существенное значение.

Например, чтобы уменьшить величину RDS(on) вдвое, площадь нового кристалла должна быть увеличена в четыре-пять раз. Хотя цена и не возрастет при этом экспоненциальным образом, она будет существенно выше. С увеличением площади прибора увеличивается емкость, а, следовательно, ухудшаются динамические показатели. Поэтому уменьшение площади прибора приведет не только к уменьшению стоимости, но и к улучшению динамических показателей ДМОПтранзистора.

На рисунке 7 показаны параметры, влияющие на сопротивление ДМОП-транзистора. Где Lg – эффективная длина затвора, Lp+ - размеры p+ области, Lp – расстояние между границей маски для p+ области и затвором, Lch – длина канала, Xjp – глубина залегания p+ области, Hepi – толщина эпитаксиальной пленки, Hsub – толщина подложки.

Сопротивление ДМОП-транзистора увеличивается прямо пропорционально с возрастанием толщины эпитаксиальной пленки.

Одним из параметров, используемых для анализа сопротивления транзисторов, является произведение сопротивления на площадь RS (Оммм2). С увеличением Lg сопротивление ячейки растет, так как увеличивается площадь ячейки, но параметр RS в зависимости от Lg имеет минимум (рисунок 8). При малых значениях Lg сопротивление JFET и дрейфовой областей велико, площадь ячейки мала и поэтому в параметре RS основной вклад несет сопротивление. С увеличением Lg увеличивается площадь и уменьшаются сопротивления JFET и дрейфовой областей, наступает момент, когда RS имеет минимум.

Дальнейшее увеличение приводит к незначительному уменьшению сопротивления JFET и дрейфовой областей, а площадь ячейки существенно увеличивается и параметр RS растет.

Рисунок 7 - Параметры, влияющие на сопротивление ДМОПтранзистора.

R*S, произведение сопротивления ячейки на ее площадь (Ом*мкм2) Рисунок 8 - Зависимость R*S ячейки ДМОП-транзистора от Lg для Высокая рабочая температура биполярного транзистора часто приводит к выходу из строя. Повышенная температура вызывает местный перегрев, повышение плотности тока биполярного транзистора вокруг периметра эмиттера. Это может вызвать разрушение прибора.

ДМОП транзисторы не обладают этим недостатком, поскольку работают на эффекте переноса основных носителей заряда.

Подвижность основных носителей заряда в кремнии уменьшается с ростом температуры среды. Эта обратная зависимость заставляет носители двигаться медленнее по мере роста температуры кристалла.

При этом сопротивление канала растет, что предотвращает концентрацию носителей вокруг горячих точек. Следовательно, в ДМОП структуре попытка к образованию горячих точек приводит к локальному увеличению сопротивления и заставляет носители стремиться к более холодным частям кристалла.

Благодаря такому распределению тока, ДМОП транзистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления.

Положительный температурный коэффициент сопротивления означает, что работа МОП транзистора стабильна при колебаниях температуры и тем самым обеспечивается защита от перегрева и вторичного пробоя.

Таким образом, полевой транзистор способен к самовыравниванию плотностей протекающего тока. Следовательно, полевые транзисторы менее подвержены резким изменением токовой нагрузки, что особенно ценно в многоканальных структурах.

Наряду с очевидными достоинствами полевых транзисторов перед биполярными, имеется ряд недостатков. Напряжение насыщения высоковольтных БТ оставалось много меньше, чем у аналогичных полевых транзисторов, это является следствием высокого сопротивления канала в открытом состоянии, увеличивающегося с ростом пробивных напряжений. Другим ограничивающим фактором оказался вроде бы положительный эффект увеличения сопротивления кремниевого проводника. Однако из-за высокого температурного коэффициента сопротивление канала в открытом состоянии практически удваивается при температуре кристалла близкой к 150оС.

Данная температура оказалась критической для применения полевых транзисторов.

Результаты расчета ВАХ при учете эффекта саморазогрева (термодинамическая модель) и без него (дрейфово-диффузионная модель) представлены на рисунке 9, где Uз – напряжение на затворе, Uси – напряжение сток-исток, Iс – ток стока.

Рисунок 9 – Зависимость тока стока от напряжения сток-исток (штриховые линии – учет эффекта саморазогрева).

В главе 5, используя исследования, описанные в предыдущих главах, были найдены оптимальные конструктивно-технологические параметры, при которых площадь мощного ДМОП-транзистора будет минимальна, для заданных значений электрических параметров.

Расположение ячеек, а также площадь, занимаемая ячейкой, показана на рисунке 10, где r – радиус вписанной окружности. Мы рассчитали, как изменяется пробивное напряжение, и сопротивление ДМОП-транзистора при изменении расстояния между ячейками при различных концентрациях примеси в подложке и различных толщинах эпитаксиальной пленки.

Площадь, занимаемая ячейкой равна S cell = 2 3 r. Зная, что сопротивление ДМОП-транзистора должно быть не более 8 Ом, количество ячеек n необходимых для получения заданного сопротивления равно n =, где Rcell – сопротивление одной ячейки.

Определив площадь ячейки Scell, а также количество ячеек n, найдем площадь S, которую будут занимать все ячейки, она равна S = n S cell Рисунок 10 - Расположение ячеек, а также площадь, занимаемая С помощью приборно-технологического моделирования были рассчитаны зависимости напряжения пробоя ячейки от ее параметров (Lg, Lp+, N, Hepi).

Методом наименьших квадратов аппроксимируем зависимость пробивного напряжения от радиуса ячейки r выражением:

Далее для конкретных значений параметров ячейки определяем пробивное напряжение и сопротивление ДМОП-транзистора, после этого строим зависимость площади занимаемой ячейками от пробивного напряжения. На рисунке 11 показана зависимость площади занимаемой ячейками от пробивного напряжения при различных значениях толщин эпитаксиальной пленки и для различных значений концентраций в ней (Lp+ = 6.5 мкм, Lp = 5.5 мкм). Учитывая, что пробивное напряжение ячейки не должно быть менее 600 В, из рисунка определяем концентрацию примеси в ней и толщину пленки, при которой площадь, занимаемая ячейками, будет минимальна, она равна 2.21014 см-3. Далее, для других значений Lp+ определяем концентрацию в подложке, при которой площадь будет минимальна. После этого выбираем то значение Lp+, при котором площадь окажется наименьшей.

эпитаксиальной пленки переходим к расчету охранной области. Расчет охраны производился по методике, описанной в главе 3. Пробивное напряжение охранной области должно быть выше, чем пробивное напряжение ячейки ДМОП-транзистора. Напряжение пробоя охранной области, состоящей из трех колец при заряде в оксиде кремния 1011, составило 654 В.

С помощью приборно-технологического моделирования были рассчитаны динамические параметры ячейки ДМОП-транзистора время включения и выключения, заряд затвора.

S, площадь S, площадь S, площадь Рисунок 11 - Зависимость площади, занимаемой ячейками, от пробивного напряжения при различных концентрациях примеси и толщинах эпитаксиальной пленки 50 мкм а), 55 мкм б), 60 мкм в) Общие выводы по работе:

1. На основе анализа литературных источников сформулированы требования, предъявляемые к мощному элементу интеллектуальной силовой схемы. Обоснованы преимущества применения в качестве мощного элемента ДМОП-транзистора. Указанны недостатки мощного ДМОП-транзистора. Определены основные направления исследований для решения основной задачи – улучшения параметров мощного ДМОП-транзистора.

2. Проведенный на основе конструкции и технологического маршрута создания базовых ячеек анализ конструкции мощного ДМОП–транзистора позволил определить конкретные параметры областей прибора, влияющие на пробивное напряжение и сопротивление транзистора. В результате проведенного анализа была разработана упрощенная параметризированная модель мощного прибора для проведения исследования.

3. Проведен анализ программного пакета приборнотехнологического моделирования и разработана методика его использования для исследования мощных ДМОП – транзисторов.

Указаны основные программы необходимые для проведения моделирования. Рассмотрены методы расчета напряжения пробоя и сопротивления ДМОП–транзистора.

4. С помощью приборно-технологического моделирования установлены зависимости напряжения лавинного пробоя охранной области мощного транзистора от конструктивно-технологических параметров структуры.

5. Определены оптимальные значения конструктивнотехнологических параметров ячейки ДМОП-транзистора, позволяющие получить заданные электрические характеристики с наименьшей площадью прибора.

6. Основные результаты работы использованы в ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон», ООО «Кластек» и в учебном процессе на ЭКТ факультете МИЭТ.

Публикации:

1. Михаил А. Королев, Александр В. Швец, Антон Ю. Красюков, Алексей С. Ключников / Численное моделирование пробивного напряжения обратносмещенного p-n перехода // Материалы Восьмой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2006, Новосибирск, 2006 г., стр. 118- 2. Королев М.А., Ключников А.С. / Исследование влияния конструктивно-технологических параметров ДМОП транзистора на сопротивление в открытом состоянии // Труды Десятой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, г., стр.200- 3. М.А. Королев, А.С. Ключников / Исследование изменения пробивного напряжения в ДМОП транзисторе с охранными кольцами // Тезисы докладов Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», март 2006 г., стр. 300.

4. М.А. Королев, А.В. Швец, А.С. Ключников / Численное моделирование пробивного напряжения ДМОП транзистора с охранными кольцами // Материалы международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения,» «INTERMATIC – 2006», Москва, 2006 г., стр. 183А.С. Ключников / Анализ методов повышения напряжения пробоя силовых приборов // Тезисы докладов Тринадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006», Москва, Зеленоград, 2006 г., стр. 103.

6. М.А. Королев, А.Ю. Красюков, А.С. Ключников / Программа расчета напряжения лавинного пробоя силовых p-n переходов с плавающими диффузионными кольцами // Материалы международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения,» «INTERMATIC – 2006», Москва, 2006 г., стр. 200-201.

7. А.С. Ключников / Разработка мощных ДМОП-транзисторов // Тезисы докладов Четырнадцатой всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2007», Москва, Зеленоград, 2007 г., стр. 91.

8. А.С. Ключников, А.С. Красюков / Использование полевой обкладки для повышения напряжение пробоя ДМОП-транзистора // Материалы Восьмой международной конференции по электронным приборам и материалам “EDM-2007”, 2007 г., Эрлагол, стр. 107- 9. А.С. Ключников, А.С. Красюков / Расчет параметров p-n перехода с плавающими диффузионными кольцами // Материалы Шестой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2007 г., Владимир, стр. 10. А.С. Ключников / Численное моделирование и оптимизация площади мощного ДМОП транзистора // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2007 г. (в печати).

11. Е. Артамонова, А. Балашов, А. Ключников, А. Красюков, А.

Швец / Численное моделирование и оптимизация площади мощного ДМОП-транзистора // Тезисы докладов Международной конференции «Микро- и наноэлектроника – 2007» (МНЭ-2007), 2007 г., Липки, стр.

P2-05.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.. Тираж экз. Заказ.

Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ).

124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д. 5, стр. 1, МИЭТ.



 


Похожие работы:

«Бубенцов Владимир Юрьевич Разделение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий МОСКВА – 2006 г. 2 Работа выполнена на кафедре Процессы и аппараты химической технологии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В....»

«Горбовский Константин Геннадиевич Получение и свойства карбамидсодержащих NPK-удобрений из различных видов фосфатного сырья 05.17.01 – технология неорганических веществ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2014 Работа выполнена на кафедре Технологии неорганических веществ Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева ив лаборатории технологии удобрений ОАО Научно-исследовательский институт по удобрениям...»

«Лифанов Александр Дмитриевич ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА УДАРОПРОЧНЫХ ПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЛАСТИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ ПОЛЯРНЫХ КАУЧУКОВ 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Казань – 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технологический университет (ГОУ ВПО КГТУ) Научный руководитель :...»

«Речкина Екатерина Александровна ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ С ПОЛУЧЕНИЕМ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ 05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Красноярск – 2012 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет на кафедре Химическая технология древесины и биотехнология, г. Красноярск. Научный...»

«ПОПОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ КОНТАКТНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ХЛАДОАГЕНТА ОХЛАЖДЕННЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва – 2009 Работа выполнена на кафедре Процессы и аппараты химической технологии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московская государственная академия тонкой химической технологии...»

«КУШИТАШВИЛИ ВЛАДИМИР АНДРЕЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ 05.15.11. - Физические процессы горного производства АВТОРЕФЕРАТ дисертации, представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук Тбилиси 2006 РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ГРУЗИНСКОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Научный руководитель – докт. техн. наук, проф. Гуджабидзе И. К. Официальные оппоненты : докт. техн. наук, проф....»

«Обуздина Марина Владимировна ПРОЦЕССЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕОЛИТОВ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск - 2011 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС) на кафедре Безопасность жизнедеятельности и экология Научный руководитель, доктор технических наук, профессор Руш Елена...»

«Ушмарин Николай Филиппович РАЗРАБОТКА РЕЗИН НА ОСНОВЕ БУТАДИЕН-НИТРИЛЬНЫХ КАУЧУКОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДОБАВОК И СТАБИЛИЗАТОРОВ 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань - 2010 Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении высшего профессионального образования Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова и Федеральном...»

«Платов Геннадий Алексеевич Численное исследование гидродинамических процессов в окраинных морях и в шельфовой зоне 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Новосибирск – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук Ривин Гдалий...»

«Костикова Анна Владимировна РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТА FeNi3/C НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА, FeCl3·6H2O и NiCl2·6H2O ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИК НАГРЕВА Специальность 05.27.06: технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего...»

«Шана Маха Акрам Автоматизированная информационная система адаптивного обучения на основе компетентностного подхода 05.25.05 - Информационные системы и процессы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Нальчик – 2014 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова кандидат технических наук, доцент Научный руководитель : Шаков Хасанби Кужбиевич Камаев Валерий Анатольевич, доктор Официальные...»

«ФЕДОТОВА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАНЫХ NPK-УДОБРЕНИЙ МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА АММОНИЯ И ХЛОРИДА КАЛИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ПРИМЕСИ ФЛОТОРЕАГЕНТОВ 05.17.01 Технология неорганических веществ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ПЕРМЬ – 2012 Работа выполнена в Пермском национальном исследовательском политехническом университете Научный руководитель : Доктор технических наук, профессор Пойлов В.З....»

«Курилкин Александр Александрович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УСКОРЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ 05.17.01 – Технология неорганических веществ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва – 2013 Работа выполнена в ОАО Электростальское научно-производственное объединение Неорганика доктор технических наук, профессор Научный руководитель : Мухин Виктор Михайлович, начальник лаборатории активных углей, эластичных...»

«ЮШКОВ Александр Николаевич Повышение эффективности работы гидропривода лесных машин путем совершенствования технического обслуживания и ремонта 05.21.01- Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2009 Работа выполнена ГОУ ВПО Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им....»

«ЛАРИСА ВЛАДИМИРОВНА НОВИНСКАЯ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БИБЛИОТЕЧНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БИБЛИОТЕКАХ РЕГИОНА: ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АСПЕКТ Специальность 05.25.03 – библиотековедение, библиографоведение и книговедение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата педагогических наук Москва – 2014 Работа выполнена на кафедре библиотековедения и книговедения Федерального государственного образовательного учреждения высшего...»

«Юрыгин Павел Петрович ИССЛЕДОВАНИЕ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В ДУПЛЕКСНЫХ ГОЛОВКАХ ДЛЯ ВЫПУСКА ЗАГОТОВОК КОЛЬЦЕВОГО ПРОФИЛЯ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ярославль – 2014 2 Работа выполнена на кафедре Технологические машины и оборудование Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ярославский...»

«Гнусов Максим Александрович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ГРУНТОМЕТА ДЛЯ ПРОКЛАДКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОЛОС В ЛЕСУ 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж – 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия (ФГБОУ...»

«Хайруллин Рамиль Камилевич ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМИ СУБСТРАТАМИ 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань - 2007 Работа выполнена на ОАО Нижнекамскшина и в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технологический университет (ГОУ ВПО КГТУ)...»

«КАЗЕЕВА НАТАЛЬЯ ИВАНОВНА ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИНАРНЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2012 Работа выполнена на кафедре Процессы и аппараты химической технологии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный университет тонких химических...»

«Пынкова Татьяна Ивановна РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА КАПСУЛИРОВАНИЯ ТВЕРДОФАЗНЫХ И ЖИДКОФАЗНЫХ ПРОДУКТОВ Специальность 05.17.08. - Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2014 Работа выполнена на кафедре Процессов и аппаратов химических технологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.