Исследование изменения порогового напряжения МОП транзистора при нагреве для технологического процесса 14 нм

В статье исследованы изменения порогового напряжения транзистора при нагреве и применение этого исследования на простом инверторе.

Ключевые слова: транзистор, МОП, пороговое напряжение, температура, нагрев.

Введение

Одна из основных задач современного процесса проектирования интегральных схем — это обеспечение точности инструментов моделирования. Существует множество исследований, направленных на регистрацию изменений технологических факторов с помощью инструмента моделирования. Однако в большинстве случаев изменение температуры игнорируется на этапе проектирования. То есть проектирование выполняется с учетом постоянной температуры, в дальнейшем изменения в работе контура из-за возможных перепадов температуры не учитываются. Это обстоятельство может даже привести к некорректной работе схемы. Обратите внимание, что изменение температуры почти всегда присутствует, и это связано как с внешними изменениями, так и с самонагревом элементов.

Изменение температуры в МОП транзисторах влияет на очень много параметров, но основные параметры трое: зависимость подвижности(мобильности) электронов, зависимость скорости насыщения транзистора, зависимость порогового напряжении транзистора. Эта работа посвящена исследованию зависимости порогового напряжении МОП транзистора при нагреве независимо от причины нагрева.

Зависимость порогового напряжения МОП транзистора от температуры

Пороговое напряжение уменьшается при повышении температуры, что приводит к увеличению тока потребителя. Однако мобильность электронов тоже зависит от температуры и это приводит к уменьшению суммарного тока. Это один из наиболее важных эффектов, зависящих от температуры, который может вызвать проблемы аналоговой конструкции. Температурная зависимость порогового напряжения (Vth) определяется следующей формулой:

,

где

Для модели, использованной в данной работе: = -0.067, = -5.935 * 10-9, = 0.1503.98 * 10-10. зависит от размера транзистора и может быть различным для транзисторов одной и той же модели, но разных по размерам.

Рисунок 1 показывает зависимость порогового напряжения от температуры.

Рис. 1. Зависимость порогового напряжения от температуры

В качестве примера рассмотрим температурную зависимость простого инвертора.

Рис. 2. Температурная зависимость характеристики инвертора

На рисунке 2 желтым цветом показано входное напряжение инвертора. Все остальное — это графики выходного напряжения при разных температурах. Обратите внимание, что температура повышается справа налево, то есть при повышении температуры график выходного напряжения смещается влево. Это явление связано со снижением порогового напряжения из-за нагрева.

Изменения свойств инвертора говорят о том, что температурную зависимость параметров устройства необходимо учитывать при проектировании любого устройства. В конкретном случае при изменении температуры от 300 K до 600 K возможно, что изменение порогового напряжения приведет к неисправности устройства, т. е. в случае ожидаемого «1» мы будем иметь «0» выход, а в случае ожидаемого «0» обратное «1»: Поэтому для исправного функционирования устройства необходимо учитывать возможность изменения свойств из-за нагрева.

Заключение

Как показывает пример инвертора, очень важно всегда учитывать изменение температуры. Если устройство или часть устройства нагреется под действием внешних сил или из-за самонагревания это приведёт к неправильной роботе, несмотря на то, что во время проектирования все результаты были, как и ожидались.

Литература:

1. BSIM-CMG 107.0.0 Multi-Gate MOSFET Compact Model Technical Manual / V. Sriramkumar [и др.]. — 1. — Berkeley: The Regents of University of California, 2013. — 123 c. — Текст: непосредственный.
2. Sun, Zimin Self-heating effect in SOI MOSFETs / Zimin Sun, Litian Liu, Zhijian Li. — Текст: непосредственный // 1998 5th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. Proceedings (Cat. No.98EX105). — 1998. — № 5. — С. 572–575.
3. Analysis of Temperature Effect on MOSFET Parameter using MATLAB. — Текст: электронный // INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING DEVELOPMENT AND RESEARCH: [сайт]. — URL: https://www.ijedr.org/papers/IJEDR1603087.pdf (дата обращения: 29.12.2020).