بررسي ولتاژ شکست در افزاره هاي LDMOS
با توجه به اينکه رسيدن به ولتاژ شکست بالا و کاهش مقاومت حالت روشن در افزارههاي قدرت بسيار مهم است، آشنايي با مفهوم اين دو پارامتر ضروري بهنظر ميرسد. در اين فصل ضمن تمرکز بر روي ترانزيستورهاي LDMOS، به بررسي پارامترهاي ولتاژ شکست و مقاومت حالت روشن با توجه به معيار شايستگي تعريف شده، پرداخته شده است. همچنين در انتهاي فصل کارهاي انجام شده در گذشته به منظور بهبود مشخصات ترانزيستورهاي LDMOS، از جمله ولتاژ شکست، ميدان الکتريکي و مقاومت حالت روشن، بيان شده است.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

2-1) بررسي مشخصات ترانزيستور قدرت LDMOS
در فصل قبل انواع ترانزيستور اثر ميدان قدرت بيان شد. يکي از اين افزارهها ترانزيستور LDMOS ميباشد که در اين فصل، توجه خود را بر روي اين ساختار متمرکز ميکنيم. اين ترانزيستور ساختاري شبيه به ترانزيستورهاي متداول اثر ميدان دارد، با اين تفاوت که بين ناحيهي کانال و درين LDMOS، يک ناحيهي رانشي قرار داده شده است تا بتوان ولتاژ شکست بالايي را بدست آورد ]11-14[.
لازم به ذکر است که در ساخت افزارههاي افقي ولتاژ بالا، به ساختار SOI به دليل جريان نشتي کم، ايزولاسيون خوب بين افزارهها، عملکرد در دماهاي بالا و کاهش قابل ملاحظه خازنهاي پراکندگي15، توجه زيادي شده است ]15-17[. در شکل (2-1) نمونهاي از ساختار ترانزيستور LDMOS که در تکنولوژي SOI شکل گرفته شده، مشاهده ميشود. اين نوع ترانزيستور قدرت در سالهاي اخير مورد توجه ويژهاي قرار گرفته است.
همچنين، افزارههاي بديعي که با اين ساختار پيشنهاد شدهاند، مشخصات الکتريکي بهتري را از خود نشان دادهاند. امّا افزارههاي قدرتي که در تکنولوژي SOI شکل ميگيرند داراي مشکل اساسي اثر خودگرمايي هستند.
در ادامهي اين فصل به اثر خودگرمايي پرداخته ميشود. همچنين ساير پارامترهاي مورد استفاده در افزارههاي قدرت بررسي خواهد شد.
شکل (2-1)- نمايي از ترانزيستور LDMOS که در تکنولوژي SOI شکل گرفته است.

2-1-1) اثر خود گرمايي
در ترانزيستورهاي معمولي، گرما از طريق سيليسيم به محيط منتقل ميشود. امّا در ترانزيستورهاي سيليسيم روي عايق به دليل وجود عايق اکسيد سيليسيم، گرماي توليد شده به راحتي به محيط منتقل نميشود. زيرا لايهي اکسيد مدفون که در زير ناحيهي کانال ترانزيستور قرارگرفته، رسانايي ناچيزي دارد و افزاره نميتواند بهسرعت خنک شود. بنابراين گرماي توليد شده در ترانزيستور باقي ميماند. همچنين، اين گرما باعث تضعيف پارامترهاي ترانزيستور از جمله موبيليتي ميشود. موبيليتي الکترونها به شدت به گرما وابسته است. هر چه گرما افزايش يابد؛ قابليت تحرک الکترونها کمتر شده و اين امر سبب کاهش جريان ترانزيستور ميشود.
براي کنترل پديدهي خودگرمايي در افزارههاي LDMOS که در تکنولوژي SOI ساخته ميشوند، ساختارهاي متنوعي ارائه شده است که در فصلهاي آينده به اين مبحث پرداخته ميشود ]38-42[.
2-2) ولتاژ شکست
يکي از عوامل پديده شکست، افزايش ميدان الکتريکي است، بهگونهاي که از ميدان الکتريکي بحراني فراتر رود. در اين شرايط، جفت الکترون-حفره16 ايجاد ميشود و شکست بهمني رخ ميدهد. حال، ميتوان با تعديل توزيع ميدان الکتريکي، به ولتاژ شکست بيشتري دست يافت. دو روش کلّي براي خطي نمودن توزيع ميدان الکتريکي وجود دارد: 1) کاهش ميدان سطحي 2) مافوق پيوند17.
لازم به ذکر است که در ادوات قدرت، ايجاد يک ناحيهي رانشي بزرگ با چگالي ناخالصي کم، موجب افزايش ولتاژ شکست ميشود . امّا چنين شرايطي در ساختار ترانزيستورهاي قدرت باعث افزايش مقاومت افزاره در برابر عبور جريان ميگردد. بنابراين ميبايست مصالحهاي بين افزايش ولتاژ شکست و قدرت جريان دهي ترانزيستور برقرار شود. از طرف ديگر، چنانچه افزارههاي LDMOS در تکنولوژي SOI شکل گيرند، عوامل متعددي در محدود کردن ولتاژ شکست دخالت دارند که ميتوان به ضخامت لايههاي سيليسيم و اکسيد مدفون اشاره کرد. نحوهي سازوکار شکست در اين افزارهها در ادامهي اين فصل مورد بررسي قرار گرفته است.
2-2-1) کاهش ميدان سطحي (RESURF)
اساس کار در اين روش، ايجاد يک ناحيهي تخليه در قسمت رانشي ترانزيستور توسط دو پيوند عمودي و افقي ميباشد ]43[. چنانچه ناحيهي رانشي قبل از رسيدن به ولتاژ شکست، بهصورت کامل تخليه شود، توزيع ميدان الکتريکي در اين ناحيه خطيتر ميگردد و ولتاژ شکست بهمني افزايش مييابد. از طرف ديگر، چنانچه ترانزيستور در تکنولوژي SOI شکل بگيرد و وقتي ديود در باياس معکوس است، بخش عمودي ميدان الکتريکي عمدتاً بر روي اکسيد ميافتد و ناحيهي تخليه، بارفضاي گستردهاي را در کل لايه N-SOI القا ميکند. اين شرايط منجر به ايجاد عرض ناحيهي تخليه افقي بزرگ ميگردد و مولفهي افقي ميدان الکتريکي کوچک ميشود.
براي بررسي دقيقتر رفتار افزارهي RESURF، يک ديود افقي که از لايه همبافته18 نوع n با ضخامت و ميزان چگالي ناخالصي مشخص که بر روي زيرلايهاي از نوع P شکل گرفته است را در نظر بگيريد. اين ساختار دو بعدي که در شکل (2-2) نشان داده شده، شامل دو قسمت است: يک ديود P+N افقي با پيوند عمودي و يک ديود P-N عمودي با پيوند افقي. در حالت باياس معکوس، اختلاف پتانسيل در طول ديود عمودي P-N، يک ناحيهي تخليه را ايجاد ميکند که تا زيرلايهي نوع P و لايهي همبافته نوع n گسترش يافته است. براي ضخامت و ميزان چگالي ناخالصي معين لايهي همبافته، ناحيهي بارفضا در کل افزاره گسترش يافته و موجب تخليه سطح افزاره با پهناي W ميشود. بنابراين، يک پهناي بزرگي را تحت پوشش قرار ميدهد. در اين شرايط، مولفهي افقي ميدان الکتريکي کاهش يافته و ولتاژهاي بالاتر ميتوانند قبل از شروع شکست بهمني بکار گرفته شوند. اين مفهوم ميدان سطحي کاهش يافته (RESURF) ميباشد، که براي اولين بار در اواخر سال 1970 توسط دانشمندان اپلز19و وايز20 ارائه شد ]44[. براي مقادير بهينهاي از ميزان چگالي ناخالصي و ضخامت لايهي همبافته، ولتاژ شکست نزديک به ايدهآل بدست ميآيد و اين ولتاژ فقط با مقاومت زيرلايه محدود ميشود.
اثري مشابه براي افزارههاي سيليسيم روي عايق بدست ميآيد که در شکل (2-3) نشان داده شدهاست. اين ساختار مانند افزارههاي متداول با تکنولوژي بدنه21، شامل يک ديود افقي P+N ميباشد و ديود عمودي P-N با يک عايق جايگزين شده است.
زمانيکه ديود در باياس معکوس است، مولفهي عمودي ميدان الکتريکي در طول اکسيد مدفون ميافتد و يک ناحيهي بارفضا را ايجاد ميکند که تا لايهي N-SOI گسترش مييابد. اين شرايط، پهناي ناحيهي تخليه افقي بسيار بزرگي را ايجاد ميکند.
شکل (2-2)- ساختار RESURF تحت بررسي.
شکل (2-3)- ساختار RESURF در تکنولوژي SOI ]45[.
همچنين يک لايهي انباشتگي در زيرلايه ترانزيستور شکل ميگيرد و شکست بهمني در اين منطقه از بين ميرود. بنابراين، ولتاژ شکست در اين افزاره به طور موثر وابسته به لايهي سيليسيمي و همچنين ميزان گستردگي لايهي اکسيد مدفون ميباشد.
2-2-1-1) پديدهي شکست در افزارههاي RESURF با تکنولوژي بدنه
ولتاژ شکست در تکنولوژي بدنه با ساختار RESURF، به ميزان چگالي ناخالصي (براي مثال به ميزان چگالي ناخالصي در لايهي همبافته) حساس ميباشد. در باياس معکوس، چنانچه ميزان چگالي ناخالصيها از يک مقدار مشخصي بيشتر باشد، گستردگي ناحيهي بارفضا در لايهي همبافته کمتر از ضخامت لايهي همبافته ميشود. نتيجهي اين رفتار، کوچک شدن پهناي ناحيهي تخليه در سطح افزاره است و افزايش مولفهي افقي ميدان الکتريکي را در پي دارد. بهعلاوه، افزايش ولتاژ موجب شکست افقي در سطح بالايي ترانزيستور ميشود. از طرفي ديگر، اگر ميزان چگالي ناخالصي از يک مقدار مشخصي کمتر باشد، ناحيهي تخليه به اتصال N+ ميرسد. با توجه به اينکه خطوط ميدان الکتريکي در سطح کوچکي به هم ميرسند و با توجه به تئوري گاوس، دامنهي ميدان الکتريکي افزايش مييابد. افزايش در ولتاژ، موجب رخ دادن پديده شکست به علت اثر تجمعي22 ميشود، اما براي مقادير بهينهي چگالي ناخالصي، ناحيهي تخليه، پهناي ايدهآلي را داراست که نتيجه آن ماکزيمم مقدار ولتاژ شکست است ]46[
2-2-1-2) پديدهي شکست در افزارههاي RESURF با تکنولوژي SOI
در اين قسمت ولتاژ شکست در افزارههاي RESURF سيليسيم روي عايق بررسي شده است. همانطور که در شکل (2-3) نشان داده شده است، x موقعيت افقي و y بيانگر مسيرعمودي افزاره ميباشد. V، ولتاژ معکوسي است که به زيرلايه و ناحيه P+ اعمال شده است. ts و tox، بهترتيب پهناي لايهي سيليسيم روي عايق و پهناي لايهي اکسيد مدفون ميباشند. L، طول ناحيهي بين اتصالهاي N+ و P+ است. W، پهناي ناحيهي تخليه بر روي سطح ميباشد و N(x)به ميزان چگالي ناخالصي اختياري در لايهي سيليسيم روي عايق دلالت دارد. ميزان بارها در لايهي سيليسيمي برابر است با:
(2-1)پتانسيلالکتروستاتيکيبهصورت?(x,y) وميدان الکتريکي به صورت E(x,y)=Ex(x,y)i+Ey(x,y)j نشان داده شدهاند، که در آن، Ex و Ey بهترتيب به مولفههاي افقي و عمودي ميدان اشاره دارند.
فرض کنيد که تمامي دهندهها23 در ناحيهي تخليه، يونيزه شده باشند. با توجه به تئوري گاوس، رابطهي بين ميزان چگالي ناخالصي و ميدان الکتريکي به صورت زير است:
(2-2) (2-3)اين رابطه براي محدودهي <x<W0 و <y<tS0 معتبر ميباشد. در اين رابطه، q بيانگر بارهاي الکترونيکي، 0?، ضريب گذردهي فضاي آزاد، و KS، گذردهي نسبي سيليسيم هستند. همچنين در اين رابطه فرض شده است که ناحيهي تخليه هيچگاه به اتصال N+ نميرسد.
به منظور دستيابي به بالاترين ولتاژ شکست براي پهناي افقي ناحيه تخليه W، ميبايست مولفهي افقي ميدان الکتريکي در ناحيهي تخليهي افزاره سيليسيم روي عايق، يکنواخت باشد ]47[. در اين شرايط:
(2-4)
بايد برقرار باشد. بنابراين رابطهي (2-3) را ميتوان به صورت زير بازنويسي کرد:
(2-5)
اين رابطه براي محدودههاي <x<W0 و <y<ts0 معتبر ميباشد. با جدا کردن رابطهي بالا و انتگرالگيري در ناحيهي تخليه، رابطهي زير بدست ميآيد:
(2-6)
اين رابطه براي مقادير <x<W0 معتبر ميباشد، که در آن، Ey(x,0) و Ey(x,ts) به ترتيب مولفهي عمودي ميدان الکتريکي در بالا و پايين لايهي سيليسيم روي عايق هستند. اين رابطه نمايانگر اين است که مولفهي عمودي ميدان الکتريکي، تمامي بارفضاي لايهي سيليسيم روي عايق را تحت پوشش قرار ميدهد. اين در حالي است که مولفهي افقي ميدان الکتريکي در برگيرندهي ناحيهي تخليه ميباشد. با توجه به اينکه هدف، پيدا کردن توزيع ميدان الکتريکي در بالاترين ولتاژ شکست ممکن ميباشد، بنابراين ميبايست Ey(x,0)=0 برقرار باشد. اين شرايط به معناي اين است که لايهي سيليسيم روي عايق به صورت کامل تخليهاي ميباشد و ميدان الکتريکي در سطح، کوچک است. با توجه به رابطهي (2-6)، ميتوان رابطهي زير را براي بارهاي لايهي سيليسيمي نوشت:
(2-7)بنابراين رابطه (2-5) به صورت زير ميشود:
(2-8)
با فرض اينکه اکسيد مدفون شامل بارهاي آزاد ميباشد و با در نظر گرفتن شرايط مرزي که Ex(x,tS) و Ey(W,y) مقادير ثابتي دارند، ميتوان نشان داد که در لايهي اکسيد مدفون است. بنابراين، Ey در راستاي عمودي و Ex در راستاي افقي، يکنواخت ميباشند. در فصل مشترک ميان لايهي سيليسيم روي عايق و اکسيد مدفون (tS=y)، ميدان الکتريکي به صورت ناپيوسته و با نسبت 3KS/Kox?، جهش دارد (که KS و Kox بهترتيب ميزان گذردهي سيليسيم و اکسيد سيليسيم ميباشند). اين شرايط مرزي، پيوستگي ميدان الکتريکي را تضمين ميکند. در اين شرايط، پتانسيل در سطح بالايي لايهي سيليسيم روي عايق برابر است با:
(2-9)
(2-10)

که t برابر است با:
(2-11)

با توجه به روابط و و همچنين با در نظر گرفتن رابطهي
(2-10)، Ey(x,tS) در يک جهت افقي رخ ميدهد و ميتوان به صورت زير بيان کرد:
(2-12)

روابط (2-7) و (2-12)، بيانگر ميدان الکتريکي بهينه و توزيع بار بهينه براي بدست آوردن بيشترين ولتاژ شکست در پهناي تخليه افقي و در افزاره سيليسيم روي عايق ميباشند.
در افزارههاي متداول در حالت خاموش، ابتدا به بررسي ميزان توزيع چگالي ناخالصي پرداخته شده و معادله پواسون براي پتانسيل الکتروستاتيکي حل ميشود. در اينجا ابتدا با توزيع پتانسيل ايدهآل شروع کرده و به همراه معادله پواسون، منحني چگالي ناخالصي بدست ميآيد. در شکل (2-4)، خطوط همتراز پتانسيل24 براي يک افزاره نازک سيليسيم رويعايق ترسيم شده است. در اين شکل، ضخامت لايهي سيليسيم روي عايق 1/0 ميکرومتر، ضخامت لايهي اکسيد مدفون 2 ميکرومتر و 70=L ميکرومتر ميباشد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، پتانسيل در ناحيهي تخليه متناسب با موقعيت افقي x ميباشد. لازم به ذکر است که محاسبات عددي براي اين افزاره، ولتاژ شکست 750 ولت را نشان ميدهد که در بخش بعدي به بررسي اين محاسبات پرداخته شده است.
شکل (2-4)- خطوط همتراز پتانسيل در ولتاژ باياس معکوس ساختار SOI-RESURF ]45[.
2-2-1-3) محاسبهي ولتاژ شکست در افزاره هاي RESURF با تکنولوژي SOI
هدف اين بخش، بدست آوردن رابطهي بين ولتاژ شکست افزارههاي سيليسيم روي عايق با ضخامت لايهي سيليسيم، ضخامت لايهي اکسيد مدفون و پهناي افقي ناحيهي تخليه ميباشد. در ابتدا توضيحي در مورد پديدهي يونيزاسيون25 ارائه شده و در ادامه به پيادهسازي ولتاژ شکست پرداخته شده است.
2-2-1-3-1) يونيزاسيون
ولتاژ شکست بهمني يک پيوند p-n توسط نرخ يونيزاسيون موثر که با ? نشان ميدهند، مشخص ميگردد. نرخ يونيزاسيون موثر ?، برابر با متوسط تعداد برخوردهاي يوني است که يک حفره (الکترون) در واحد طول با آن روبرو ميشود. اندازهگيري نرخ يونيزاسيون الکترونها و حفرهها در پيوندهاي سيليسيمي p-n برابر است با ]48[:
(2-13)
که در آن، 1- cm1015×03/7=a و1- V.cm106×468/1=b است و براي ميدانهاي با دامنهاي در رنج 105×4/6?E?105×75/1 معتبر ميباشد. تعداد متوسط برخوردهاي يوني که يک حفره (الکترون) تنها در مسير حرکت در ناحيهي تخليه با آن روبرو ميشود، برابر است با:
(2-14)
که در اين رابطه،x در مختصات کروي26 و W، پهناي ناحيهي تخليه ميباشد. شکست بهمني زماني بدست ميآيد که اين انتگرال يونيزاسيون برابر واحد شود و يا:
(2-15)
برقرار باشد. با توجه به جواب معادلهي (2-15)، ميتوان فرض کرد که مسير يونيزاسيون در راستاي خطوط ميدان است و هر مسير، انتگرال يونيزاسيون يکساني دارد. چنانچه ميدان الکتريکي در ناحيهي تخليه، دو بعدي باشد، همهي مسيرها داراي انتگرال يونيزاسيون يکساني نيستند و هر مسير ممکن، ميبايست در محاسبهي ولتاژ شکست درنظر گرفته شود. ولتاژ شکست زماني شروع ميشود که انتگرال يونيزاسيون براي اولين بار به يک برسد. همچنين ولتاژ شکست ميتواند به عنوان ريشه اول رابطهي زير تعريف شود:
(2-16)
که در آن، Ii مربوط به انتگرال يونيزاسيون در مسير iام ميباشد. لازم به ذکر است که نرخ يونيزاسيون موثر شديداً به ميدان وابسته است. بنابراين ولتاژ شکست معمولاً با مسير يونيزاسيون نقاطي با ميدانهاي بالا، يکي است. به همين دليل، فقط تعداد کمي از انتگرالهاي يونيزاسيون نياز به محاسبه دارند.
براي ناحيهي تخليهاي که با سطوح عايق محدود شده است، مانند افزارههاي سيليسيم روي عايق در شکل (2-2)، وقتي حفره (الکترون) به اين سطح ميرسد، محدود ميشود و به موازات اين سطح مسير خود را دنبال ميکند. لازم به ذکر است که اين مسير حرکت، لزوماً در راستاي خط ميدان نيست. در يک نقطه داده شده در يک مسير مشخص، نرخ يونيزاسيون با دامنهي ميدان به موازات سطح تعيين ميگردد. در اين شرايط رابطهي (2-14) حالت کليتري به خود ميگيرد و بهصورت دو بعدي زير تعريف ميشود:
(2-17)
که در آن، s به طول کمان در iامين مسير Ci در ناحيهي تخليه دلالت دارد. مسير Ci از جايي که پتانسيل بالاترين مقدار را دارد، آغاز ميشود و به جايي که پتانسيل پايينترين مقدار را داراست، ختم ميشود و در تمامي نقاط در طول مسير، پتانسيل کم ميگردد.
2-2-1-3-2) پيادهسازي ولتاژ شکست
در اين قسمت، انتگرال يونيزاسيون در ناحيهي تخليه و براي نقاطي با ولتاژ بالا محاسبه ميشود. مسيرها از نقطهي W=x و 0=y يعني جاييکه پتانسيل بيشترين مقدار را دارد، آغاز شده و به 0=x ، يعني جاييکه پتانسيل پايينترين مقدار را دارد ختم ميگردند. با ترکيب کردن روابط (2-8) و(2-12) ، مولفهي عمودي ميدان الکتريکي برابر است با:
(2-18)
که در اين رابطه، حدود x و yعبارتند از:<x<W 0 و <y<ts0 و مولفهي افقي ميدان الکتريکي مستقل از x ميباشد:
(2-19)
(2-20)
(2-21)
که در آن، حدود y مانند رابطهي (2-18) برابر است با <y<ts0.
به منظور سادهسازي بررسي اين مبحث، جفت الکترون-حفره توليد شده در دو مکاني که ميدان الکتريکي بيشترين مقدار را دارد، در نظر گرفته ميشود: 1- در راستاي خط 0=y، جايي که اندازهي مولفهي افقي ميدان الکتريکي، ماکزيمم ميباشد 2- در نقطهي W= xو ts=y ، جاييکه مولفهي عمودي ميدان الکتريکي بيشترين مقدار را دارد.
يک جفت الکترون-حفره توليد شده را در ابتدا در روي خط 0= yو در بازه <x<W0 در نظر بگيريد. چون Ey(x,0)=0 ميباشد، حفره به سمت چپ و الکترون به سمت راست حرکت ميکند. اين مسيرها، موجب ميشوند تا انتگرال يونيزاسيوني بهصورت زير داشته باشيم:
(2-22)
(2-23)
(2-24)
حال، يک جفت الکترون-حفره را در نظر بگيريد، که در ابتدا در نقطهي W= xو ts=y توليد شدهباشند. حفره به سمت چپ و الکترون به سمت بالا حرکت ميکند. اين مسيرها، انتگرال يونيزاسيوني به صورت زير ايجاد ميکنند:
(2-25)
(2-26)
که در آن، و ، بهترتيب بر انتگرالهاي يونيزاسيون عمودي و افقي دلالت دارند. با استفاده از رابطهي (2-18) ميتوان نوشت:
(2-27)
اين انتگرال، توسط کوکوسا27 و ديويس28 حل شده ]49[ و جواب آن به صورت زير بيان گرديده است:
(2-28)
که در اين رابطه، ? برابر است با:
(2-29)
و Ei، به تابع نمايي انتگرالي دلالت دارد و مانند يک سري نامحدود ميباشد. در صورتيکه محاسباتبه موازات (رابطهي (2-22)) انجام شود، نتيجه زير بدست ميآيد:
(2-30)
با استفاده از رابطهي (2-16) ميتوان ولتاژ شکست را بر حسب ts، tox و W بدست آورد. همچنين ولتاژ V ميبايست شرط رابطهي زير را برآورده کند:
(2-31)
همانطور که قبلاً ذکر شد، رابطهي بين ولتاژ شکست و ضخامت لايهي سيليسيم، ضخامت اکسيد مدفون و پهناي افقي ناحيهي تخليه در اين بحث گنجانده شده است. در صورتيکه پهناي افقي ناحيهي تخليه، محدود باشد و با صرف نظر کردن از و در رابطهي (2-31)، ولتاژ شکست فقط به ضخامت لايهي سيليسيم و ضخامت اکسيد مدفون وابسته است. شکل (2-4)، ولتاژ شکست را بر حسب ضخامت لايهي سيليسيم براي مقادير مختلف ضخامت اکسيد مدفون نشان ميدهد. منحنيها، شکلي شبيه حرفU انگليسي دارند و براي سه مقدار مختلف از ضخامت لايهي اکسيد مدفون ترسيم شدهاند. با استفاده از روابط (2-18) و (2-11)، ولتاژ شکست بهصورت بيان شود که در اين رابطه، Ey(W,ts) ميدان الکتريکي بحراني و ضريب Ks/Kox براي اختصار با عدد 3 جايگزين شده است. با توجه به رابطهي قبل، براي مقادير مشخصي از ميدان الکتريکي بحراني، ولتاژ شکست با ضخامت اکسيد مدفون افزايش مييابد. اين مشخصه در شکل (2-5)، براي ضخامت لايهي سيليسيم بالاتر از 10 ميکرومتر واضح است. همچنين براي ضخامت لايهي سيليسيمي کمتر از يک ميکرومتر، ولتاژ شکست با کاهش ضخامت اکسيد مدفون افزايش مييابد. اين رفتار به علت افزايش ميدان الکتريکي بحراني با کاهش ضخامت لايهي سيليسيم است (با توجه به انتگرال يونيزاسيون رابطهي (2-27)).
شکل (2-5)- ولتاژ شکست بر حسب ضخامت لايهي SOI ]45[.
2-2-2) مافوق پيوند
يکي از روشهاي بهبود ولتاژ شکست، روش مافوق پيوند ميباشد. اين روش را با نام RESURF سه بعدي هم ميشناسند. مهمترين عملکرد اين افزارهها، رسيدن به تعادل بار29 در حالت قطع30 مي باشد. اين شرايط بهوسيلهي تعدادي لايه که جنس ناخالصي آنها متناوباً تغيير ميکند، ايجاد ميشود ]50-52[. شکل (2-6)، نمايانگر ساختار يک ديود ميباشد که از اين روش براي افزايش ولتاژ شکست استفاده کرده است.
در حالت قطع، لايههاي نوع n و p به طور کامل و قبل از رسيدن به ولتاژ شکست، تخليه ميشوند. بنابراين مانند روش RESURF، کل ناحيه رانشي، تخليه شده و در نتيجه ولتاژ شکست افزايش مييابد. شکل (2-7) توزيع پتانسيل الکتريکي در ولتاژ معکوس 300 ولت را نمايش ميدهد. همانطور که مشخص است توزيع ميدان الکتريکي به صورت يکنواخت در کل ناحيه رانشي امکانپذير است.
در حال حاضر افزارههاي عمودي با تکنولوژي مافوق پيوند پيادهسازي ميشوند. امّا اين تکنولوژي در افزارههاي افقي که بر روي زيرلايهي سيليسيمي شکل ميگيرند، مناسب نيست. زيرا مشکلاتي ناشي از برهم خوردن تعادل بار به علّت وجود پيوند بين لايههاي نوع n و p و زيرلايه ايجاد ميشود. هر چند براي رفع اين مشکل راههاي گوناگوني از جمله استفاده از زيرلايهي عايق پيشنهاد شده است.
شکل (2-6)- ساختار ديود در روش مافوق پيوند ]53[.
شکل (2-7)- توزيع پتانسيل در ديودي که با روش مافوق پيوند شکل گرفته است ]53[.
فصل سوّم
مروري بر کارهاي پيشين
3-1) مقدمه
در گذشته ساختارهاي متعددي ازترانزيستورهاي LDMOS ارائه شده است که در اين فصل به بررسي تعدادي از آنها پرداخته ميشود. در بخش اول تغييرات ساختار اکسيد مدفون که موجب افزايش ولتاژ شکست ميشود، مورد بررسي قرار داده ميشود. در يکي از اين ساختارها، مدلسازي نويني براي ولتاژ شکست ارائه شده است که با نتايج شبيه سازي مطابقت قابل قبولي دارد. در بخشهاي بعدي اين فصل، تغيير ميزان تزريق ناحيهي رانشي بر عملکرد ترانزيستور مورد بحث قرار داده شده است.
3-2) تغيير ماده اکسيد مدفون
در اين قسمت به بررسي ساختاري از ترانزيستور LDMOS پرداخته ميشود که در آن لايهي مدفون به دو قسمت تقسيم شده و در هر بخش مادهاي با ضريب دي الکتريک متفاوت قرار داده شده است. نام اين ساختار، ترانزيستورLDMOS با ضرايب دي الکتريک متغير در لايه مدفون31(VK SOI) ميباشد که در شکل (3-1) نشان داده شده است ]54[. همانطور که مشخص است لايه مدفون در زير ناحيه درين (که ميدان الکتريکي بزرگتري وجود دارد) داراي ضريب دي الکتريک پايين ميباشد که با سمبل kI2 نشان داده شده است. لايه اکسيد مدفون در زير ناحيه سورس ترانزيستور داراي ضريب دي الکتريکي برابر با 9/3 kI1= ميباشد.
شکل (3-1)- سطح مقطع ساختارVK SOI
همچنين ضخامت لايه اکسيد مدفون با نماد tI نشان داده شده است. ضخامت و ميزان تزريق سيليسيم به ترتيب برابر با tS و Nd ميباشد. طول لايه اکسيد برابر با Ld1 و طول لايهايي که ضريب دي الکتريک آن پايين است، Ld2 مي باشد.
با در نظر گرفتن تکنولوژي RESURF در مسير افقي، ولتاژ شکست در مسير عمودي رخ مي دهد. با توجه به رابطه kI2EI2=kSES,C، کاهش ضريب دي الکتريک (kI2) موجب افزايش ميدان الکتريکي لايهي مدفون (EI2) ميشود که منجر به افزايش ولتاژ شکست ميشود. لازم به ذکر است که ميدان الکتريکي در لايه سيليسيمي (ES,C) به صورت بحراني ميباشد. در مسير افقي، ايجاد يک پيک جديد به علّت لايهي مدفون با ضرايب دي الکتريکهاي متفاوت قابل توجه ميباشد. اين شرايط موجب ميشود که ماکزيمم ميدان الکتريکي که در نزيکي پيوندهاي n+n و pn وجود دارد،کاهش يابد و ميدان الکتريکي يکنواختتري حاصل گردد. همچنين با توجه به شکل (3-1)، ناحيه رانشي با توجه به فصل مشترک لايه مدفون با دي الکتريکهاي متفاوت، به دو قسمت i و ii تقسيم شده است. اگر سورس و زيربنا را به زمين وصل کرده و ولتاژ مثبت بزرگ Vd به درين اعمال شود، به منظور تخليه کامل ناحيه رانشي، توابع ?i(x,y)و ?ii(x,y) در دو قسمت ناحيه رانشي ميبايست در معادله پواسون صدق کنند:
(3-1)
(3-2)
که در آن k0 گذردهي خلأ ميباشد. شرايط مرزي معادلات بالا عبارتند از:
(3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)که در آن معادله (3-4) از پيوستگي ميدان الکتريکي در فصل مشترک لايه سيليسيم و لايه مدفون با ضرايب ديالکتريک متفاوت، به دست آمده است. معادلات (3-6) و (3-7) مربوط به پيوستگي پتانسيل سطحي و ميدان الکتريکي سطحي مي باشند. با حل معادلات (3-1) و (3-2) با شرايط مرزي بالا داريم:
(3-8)

(3-9)که در آن:
(3-10) (3-11) (3-12) (3-13) (3-14)
که در آن t1 و t2 با توجه به ضخامت و مشخصات ديالکتريکهاي متغير (VK) در SOI تعيين ميشود و براي kI1?kI2 نيز t1?t2 برقرار ميباشد.
اگر ميدان الکتريکي در شرايط مرزي E1(0,0)=E2(Ld,0)=ES,C و براي Ld1=Ld2=Ld/2 صدق کند (شکل (3-5))، با فرض Ld1/t1?Ld2/t2 براي Ld/2?t1,t2 ، ماکزيمم ولتاژ از رابطه زير بدست ميآيد:


دیدگاهتان را بنویسید