Описаны методики для исследования электрофизических характеристик ПДХ, позволяющие изучить следующие свойства ПДХ: вольт-амперные, сток-затворные, холл-затворные характеристики, чувствительность к магнитному полю, температурную зависимость магниточувствительности, остаточное напряжение Холла, крутизну преобразования, частотные характеристики, динамические характеристики. Измерения характеристик ПДХ проводились при температуре от 1.7К до 600К. При измерениях магниточувствительности и электрофизических характеристик ПДХ индукция магнитного поля находилась в пределах от 10-3 до 5 Тл.
Рис.1. Конструкция ПДХ КНИ: 1, 2 ? контакты верхнего и нижнего затворов, 3,4 -токовые (омические) контакты, 5,6 ?холловские контакты, Vd ? напряжение питания, Vg1, Vg2 -напряжение на электродах 1 и 2, t - толщина рабочего слоя кремния (20 нм), tox1 ? толщина верхнего подзатворного диэлектрика (20 нм), tox2 ? толщина скрытого диэлектрика КНИ структуры (400 нм), Т ?толщина подложки (380 мкм), L? длина рабочего канала кремния (500 мкм), W - расстояние между Холловскими контактами (500 мкм), s - ширина контактов к рабочему слою кремния (50 мкм), n-Si -концентрация носителей (n = 5* 1014 см-3 ).
Для изучения влияния ионизирующей радиации на характеристики ПДХ использовалось гамма-облучение изотопа Со60.
При проведении электрофизических измерений необходимо было создать макеты измерительных установок для различных интервалов температур. Для экспресс- измерений характеристик в практически важном интервале температур от -40°С до +90°С использовалась установка с элементами Пельте. В диапазоне температур от -200 С° до +300 С° использовался азотный криостат. Измерения при температурах 1,7 ч 10К проводились на специальном стенде в ОИЯИ в г. Дубне. Там же проводились изучение линейности магниточувствительности в диапазоне индукции магнитного поля от 10-3 до 5 Тл при температуре жидкого гелия.
В качестве источника магнитного поля применялись калиброванные постоянные магниты с индукцией от 10 мТ до 120 мТ. Для создания переменных магнитных полей использовались индукционные катушки. Все исследования проводились с применением малошумящих стабилизированных источников питания и измерительных приборов высокого класса точности. На рис. 2 приведена общая блок-схема измерительной установки. Измерения амплитудно-частотных характеристики ПДХ проводились при рабочих частотах до 200 кГц, а измерения переменных магнитных полей - с частотой до 30 кГц.
Рис.2. Блок-схема измерительной установки
Исследования электрофизических свойств ПДХ проведены при различных напряжениях питания и соотношениях напряжений на верхнем и нижнем затворах в диапазоне от - 25 В до 45 В. Шумовые характеристики ПДХ КНИ измерялись как на линейном, так и на участке насыщения ВАХ в диапазоне частот до 10 кГц. Для исследования напряжения плоских зон и поверхностных состояний на границах диэлектрика и полупроводника использовалась стандартная C-V методика.
Третья глава посвящена физико-математическому моделированию работы ПДХ КНИ, представляющего собой полевой транзистор со встроенным каналом и полевой двухзатворной управляющей системой типа МДПДМ, а также двумя холловскими контактами.
В данной главе приведены расчёты вольт-амперных (ВАХ), сток-затворных (СЗХ) и холл-затворных (ХЗХ) характеристик ПДХ. Проведено сравнение их с экспериментальными данными. Эти характеристики изучаются на участках линейного роста и насыщения ВАХ.
При разработке модели были приняты во внимание следующие особенности протекания тока по каналу ПДХ:
· При подаче положительного напряжения на оба затвора МДПДМ системы в канале прибора возникают два токопроводящих слоя с аккумуляцией носителей заряда, расположенных вблизи границ кремния с подзатворным и встроенным диэлектриком КНИ структуры.
· При подаче напряжения только на один из затворов в переносе носителей тока преимущественно участвует либо область у подзатворного диэлектрика на внешней поверхности канала, либо только область вблизи границы встроенного диэлектрика и канала.
· В случае одновременной подачи напряжения на затворы области аккумуляции носителей разделены между собой областью частичного или полного обеднения, вклад которой в общий ток канала зависит от соотношения напряжения питания и напряжения на затворах.
· Током канала, протекающим через нейтральную область, пренебрегаем.
Предложена физико-математическая модель для расчета вольт-амперных и сток-затворных характеристик ПДХ.
Напряжения на верхнем (V1) или на нижнем затворе (V2) с учётом напряжения плоских зон (VFB1 и VFB2) равны соответственно: V1= Vg1 - VFB1 и V2= V g2 - VFB2, где V g1, V g2 - напряжение, подаваемое на электрод верхнего и нижнего затвора соответственно (см. рис.1).
Очевидно, что в общем случае напряжения на затворах МДПДМ транзистора могут как совпадать, так не совпадать. Для определённости принимается V1? V2. Рассматриваются четыре возможных электрических режима:
1. Vd V1,V2,
2. Vd >V1=V2=Vg,
3. Vd >V1 >V2,
4. V1 > Vd >V2,
где Vd - напряжение питания транзистора. Расчет проводится с учетом двух допущений:
· ток в канале транзистора равен сумме токов, протекающих вблизи границ раздела токопроводящего канала с подзатворным и встроенным диэлектриком,
· разность потенциалов на границах раздела токопроводящего канала с подзатворным и встроенным диэлектриком ?=1 - 2 обеспечивает возможность перетекания части носителей из одного токопроводящего канала в другой, т.е. считаем 1=2= , где ? распределённый потенциал вдоль рабочего канала.
Таким образом, полный (суммарный) ток может быть записан в виде:
, (1)
где С1, С2- удельные ёмкости верхнего и нижнего затворов МДПДМ транзистора, µ- подвижность носителей в токопроводящем канале транзистора, L, W- длина и ширина токопроводящего канала соответственно. Подвижность носителей принимается одинаковой у верхнего и нижнего затвора.
В случае когда Vd V1,V2 следует проинтегрировать выражение (1) в пределах от 0 до Vd . В результате получим, что ток в канале определяется выражением:
. (2)
Если оба затвора находятся при одинаковом потенциале и меньшем, чем напряжение питания (Vd >V1=V2=Vg), то на границах раздела со встроенным и подзатворным диэлектриком наблюдается смыкание канала (точки отсечки). Для нахождения тока в этой ситуации первый и второй член в выражении (1) должны быть проинтегрированы в пределах от 0 до Vg. Таким образом, выражение для тока канала имеет вид:
. (3)
В ситуации, когда Vd >V1 >V2, очевидно, что смыкание канала произойдет в некоторой промежуточной точке длины канала х0, в которой потенциал в токопроводящем канале (х0)= V2. В области канала, в которой х>х0, >V2, ток во втором канале (вблизи границы со встроенным диэлектриком) отсутствует, слой кремния в этом месте полностью обедняется полем от другого (верхнего) затвора, удельный заряд которого становится отрицательным и равным , что изменяет подвижный заряд ( И1) в канале, расположенном вблизи верхнего затвора:
. (4)
Следовательно, выражение для тока при х0 x L может быть записано в виде:
. (5)
В результате общий ток в канале МДПДМ транзистора будет определяться:
, (6) где ,
С3 - удельная ёмкость кремния в условиях обеднения.
Если потенциал одного из затворов превышает напряжение питания, которое в свою очередь превышает напряжение на другом затворе (V1 > V d > V 2), то ток канала описывается следующим выражением:
(7)
В проведенных расчетах принято, что подвижность носителей зависит от соотношения величины напряжения питания и напряжения на затворе элемента и определяется эмпирически полученным для традиционных кремниевых МДП транзисторов соотношением:
(8)
где 0 - объемная подвижность носителей, которая для кремния составляет 0,13 м2/В*с, И - фактор уменьшения подвижности, равный 0,5 для Si МДП транзистора.
Величины напряжений плоских зон были определены в ПДХ с помощью C-V методики и составили: VFB1 =0,5 В и VFB2= 1 В.
Сравнение результатов расчёта вольт-амперных и сток затворных характеристик и экспериментальных данных показало их хорошее совпадение ( рис.3).
Здесь же проводится расчёт холл-затворных характеристик КНИ ПДХ и сравнение полученных расчетных данных с экспериментальными характеристиками. Расчет проводится в ситуации, когда напряжения на затворах КНИ ПДХ совпадали V1=V2=Vg. При этом рассматриваются две ситуации, когда напряжение на затворах КНИ ПДХ больше величины напряжения питания (Vg Vd) и когда напряжение питания больше напряжения на затворах (Vd Vg), т.е. ПДХ работает в области насыщения.
а) б)
Рис. 3. Теоретические (а) и экспериментальные (б) вольт-амперные характеристики.
В результате расчёта определено, что напряжение на холловских контактах (VH) ПДХ:
при Vg Vd определяется выражением:
VH= W Vd В/L, (9)
при Vd Vg определяется выражением:
VH=W B Vg2/ 2L [Vg- V(x)], (10)
где V(x) меняется 0 до Vg.
Сравнение результатов расчёта холл-затворных характеристик и экспериментальных данных показало их хорошее совпадение.
Четвертая глава посвящена исследованию свойств ПДХ в зависимости от вариаций напряжения питания и потенциалов затворов, величины индукции магнитного поля, а также от воздействия температуры и ионизирующей радиации.
Были измерены ВАХ, СЗХ и ХЗХ в зависимости от потенциалов на затворах МДПДМ управляющей системы при различных температурах. Показано, что вне зависимости от способа подключения затворов к источнику напряжения, например, оба затвора находятся под одинаковым потенциалом или потенциалы затворов отличаются по величине и знаку потенциала, соответствующие характеристики имеют аналогичную форму, но различаются количественно. Обнаружено, что на участке роста ВАХ магнитоиндуцированный холловский сигнал убывает с ростом напряжения на затворах, несмотря на то, что ток канала возрастает с увеличением потенциала затворов. Этот эффект объясняется уменьшением подвижности электронов под влиянием поля затворов. Экспериментально установлено, что КНИ ПДХ работоспособен в широком диапазоне температур (от 1,7К до 600 К), который значительно шире, чем для кремниевых аналогов (как правило, 210 ч 400 К) и что форма характеристик от температуры не зависит. Измерены подвижности носителей заряда в канале КНИ ПДХ при различных электрических режимах и различных температурах. По мере увеличения положительного потенциала на затворах увеличивается концентрация электронов, аккумулируемых в Si вблизи границы раздела с диэлектриками, и возрастает степень рассеяния электронов на поверхностных состояниях в кремнии и на дефектах в областях диэлектрика, непосредственно прилегающих к Si. Экспериментально определено значение соотношения напряженностей полей в канале ПДХ, при котором подвижность электронов максимальна. В табл.1 приведены данные зависимости максимальной подвижности электронов ммакс от напряжения питания Vd при вариациях напряжённостей продольного и поперечного электрических полей (Eпр и Eпоп соответственно) и их отношения. Приведены результаты двух серий измерений, проведенных на одном и том же ПДХ. В одной из них изменялся потенциал нижнего затвора, а потенциал верхнего затвора был равен нулю. В другой варьировался потенциал нижнего затвора при нулевом потенциале на верхнем. Измерения проводились при комнатной температуре. Индукция магнитного поля составляла 60 мТл. Из табл. 1 видно, что максимальное значение подвижности электронов в каждой серии измерений практически постоянно. Различие значений Eпоп/Епр в двух сериях связано с различием толщин подзатворных диэлектриков и технологии их формирования, обусловившей различие концентраций поверхностных состояний и собственной дефектности окислов (верхний диэлектрик получен термическим окислением кремния, скрытый диэлектрик КНИ структуры сформирован ионной имплантацией кислорода и последующим отжигом).