ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA. Wyk. 4. Tranzystor MOS

Transkrypt

1 Dr inż. Andrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 016/017 ELEKTRONICZNA APARATURA Tranzystor MOS DOZYMETRYCZNA Wyk. 4 4 maj 017 Fizyka zmian napięcia progowego tranzystora MOS Upływ boczny w tranzystorze Tryby pracy mosimetrów Pomiar napięcia progowego Podstawowe rozwiązanie układowe mosimetru Kraków, Medycynie, stopień II, semestr 1, 017 1

2 Tranzystor CMOS Obszar liniowy: I I D D C n ox Obszar nasycenia: W L ( V GS V th ) V DS V DS DSsat V DS V V DSsat 1 W th ncox ( VGS Vth) VDS VDSsat L Obszar podprogowy: kt C S ln10 1 e C C sc ox it V GS V

3 Technologia CMOS V DD V DD M M4 V in V out V out M1 M3 Przekrój poprzeczny ukazany na poprzednim slajdzie Przekrój poprzeczny do wytłumaczenia upływu bocznego 3

4 Obszar liniowy: I D β(v GS g m - transkonduktancja V Tranzystor NMOS th )V DS V I D DS V V DS V DSsat DSsat V GS V th V DS =const W tym obszarze może być V DS <V GS -V th więc może wystapić kawałek paraboli V GS Obszar podprogowy V th 4

5 Obszar nasycenia: I D β (V GS Tranzystor NMOS V th ) V DS V DSsat g m - transkonduktancja I D V DS =const V GS V th 5

6 Obszar podprogowy: kt S ln10 1 e Tranzystor NMOS Cd C C ox it C d pojemność związana z ładunkiem w półprzewodniku (głównie w warstwie zubożonej) C it pojemność związana z ładunkiem stanów powierzchniowych na granicy półprzewodnika i izolatora 6

7 Obszar podprogowy: Tranzystor NMOS I D V n 1) exp V n GS th0 T ( T V 1 exp T DS n 1 Cd C C ox it Vth0 B e 0 C ox Si N A B 7

8 warstwa inwersyjna Napięcie progowe tranzystora MOS eψ s V G >0 E izolator F metal t ox ρ(x) E C eφ E i B E F E V warstwa zubożona region neutralny V B półprzewodnik W Q d ( x) dx 0 x s 1 s W d s Si ( x) en 0 x W en AW 0 Si B W en A en A W Si 0 Si A B A e 0 N B -en A x Q d ( VB ) e 0 C ox Si N A B ( V B B V B ) V th Q C V d B B ox th0 B VB V B B V B th0 B Współczynnik efektu podłoża: B e 0 C ox Si N A 8

9 Uszkodzenia jonizacyjne Efekty jonizacji zderzeniowej w metalach i półprzewodnikach są szybko usuwane za pomocą pola elektrycznego. Problem pojawia się w izolatorach. Problem zniszczeń jonizacyjnych dotyczy więc elementów elektronicznych, w których dielektryk ma decydujący wpływ na działanie i parametry elementu. Tak jest w przypadku tranzystora MOS. Akumulacja ładunku w tlenku bramki tranzystora ma wpływ na trzy parametry tranzystora: Napięcie progowe V th [V] Parametr transkonduktancyjny (ruchliwość) β = µ C ox (W/L) [ma/v ] Nachylenie podprogowe S [mv/log(a)] 9

10 Statyczna transkonduktancja Formuła Suna-Plummera: C ox W L after before 1 N it 10

11 Zmiana napięcia progowego Wpływ ładunku objętościowego Q ox = Q ot + Q m : (wyjaśnienie na modelu jednowymiarowym) Qox t dq ox ox x Vth C x) SiO dq ox e( x) dx 1 C( x) 0 SiO x ( x) g D ( e( x) dx Ładunek plasterka tlenku bramki o grubości dx Pojemność elektryczna plastra tlenku bramki o grubości x Gęstość ładunku objętościowego D dawka [Gy] g liczba par elektron-dziura na jednostkę objetości na jednostkę dawki [Gy -1 m -3 ] ρ polikrzem E -de ox V x, x+dx dwutlenek krzemu t ox krzem x V th ( Q ox ) etox 0 SiO gd -dv th Migracja ładunku Q m pod wpływem udarów termicznych lub napięciowych zmienia rozkład ρ(x), a więc także wpływa na napięcie progowe V th. 11

12 S [mv/cgy] Czułość mosimetru S ΔV ΔD th eg ε ε 0 SiO t ox t ox [μm²] Tak dobra zależność kwadratowa oznacza dominujacy wpływ efektu objętościowego. LAAS-CNRS, Tulusa, Francja 1

13 Zmiana napięcia progowego Wpływ stałego ładunku powierzchniowego Q f : (wyjaśnienie na modelu jednowymiarowym) 0,3nm V th ( Q f ) tox x 0 SiO f Q f t 0 ox x f = 0,3nm t ox = 0nm Q f SiO polikrzem dwutlenek krzemu x f t ox krzem x Własności ładunku Q f : Zależy od technologicznych warunków utleniania i anilacji, Nie zależy od potencjału powierzchniowego. 13

14 Stany powierzchniowe Typowe widmo energetyczne stanów powierzchniowych intefejsu Si-SiO o kształcie litery U. 14

15 Zmiana napięcia progowego Wpływ ładunku stanów powierzchniowych Q it : (wyjaśnienie na modelu jednowymiarowym) Powierzchnia rozgraniczenia Si-SiO pozostaje w kontakcie z kanałem tranzystora dlatego dostarcza ona stanów energetycznych w przerwie energetycznej krzemu. Ocena ich wpływu na V th wymaga znajomości rozkładu energetycznego D it (E). V th ( Q it Q ) C it ox tox 0 SiO E e C E e Istnienie stanów akceptorowych umożliwia kompensowanie się wpływu dwóch rodzajów ładunku: V th ( Q ) V ( Q ) it th ot V D it 0 d s 15

16 PMOS I D NMOS Przed naświetleniem Po naświetleniu przy uwzględnieniu tylko czynnika Q ot (bez Q it ) Po naświetleniu przy uwzglednieniu obu składowych Q ot i Q it V GS V I =+10V, I D =1mA Kompensacja efektu objętościowego efektem powierzchniowym dla NMOS-a. 16

17 Nachylenie charakterystyki podprogowej Definicja: Zmiana radiacyjna: S ln10 Zwiazek ze stanami powierzchniowymi: V ln kt S ln10 1 e S ox C GS I d D kt ln10d C C C it ox it 17

18 Obszar nadprogowy liniowy Charakterystyki I D -V GS tranzytora NMOS naświetlanego przy polaryzacji V GB =+5V, t ox =50nm dawkami od 0 do 0.6kGy. Obszar podprogowy 18

19 Radiacyjny upływ boczny 19

20 Radiacyjny upływ boczny Cienki tlenek bramkowy Elektroda bramki Tlenek gruby 300nm Tlenek gruby 300nm SiO SiO t ox 5nm SiO W Upływ boczny wywołany radiacyjnym efektem pochodzącym od tlenków grubych stanowiących boczną izolację tranzystora. Problemem jest istnienie krawędzi kanału tranzytora na jego długości L od źródła do drenu. 0

21 Wydłużony tlenek bramkowy Przeciągnięcie cienkiego tlenku TOX aż do pierścienia ochronnego zamyka drogę upływom pod grubym tlenkiem FOX 1

22 Zamknięta geometria L W W L 10 Zamknięta geometria topografii tranzystora brak krawędzi kanału brak upływu z boku tranzystora

23 Radiacyjne przesunięcie ch-ki Zamknięta geometria tranzystora 3

24 Dwa tryby pracy mosimetru Z polaryzacją - aktywny Pole w izolatorze SiO przyspiesza usuwanie elektronów i obniża rekombinacyjną utratę dziur. Rozwój warstwy złapanych dziur następuje w pobliżu krzemu i dlatego osłabia pole w pozostałej części izolatora prowadząc do utraty liniowości przy większych dawkach (nasycenie). Q ot e g t ox Prawdopodobieństwo uniknięcia rekombinacji P nr ( E ox,e ) P ( Prawdopodobieństwo pułapkowania proces Bez polaryzacji - pasywny Obniżone prawdopodobieństwo uniknięcia rekombinacji prowadzi do obniżenia efektywności pułapkowania dziur. Razem prowadzi to do mniejszej czułości ale za to bardziej liniowej zależnośći odpowiedzi od dawki. Korzystny przy dużych dawkach i umożliwia pracę bez obwodu polaryzacji. t E ox, E ox E ) D Pole elektryczne w tlenku bramki Energia promieniowania 4

25 Bramka Dren Typu p polikrzem SiO Kanał inwersyjny typu p Mosimetria Generacja par elektron-dziura w dwutlenku krzemu przez promieniowanie jonizujące Pułapkowanie dziur w pobliżu t ox Si warstwa zubożona Źródło Typu p interfejsu SiO -Si Przesunięcie charakterystyki I-V prowadzące do zmiany napięcia progowego w warunkach stałego prądu kanału tranzystora Si podłoże typu n Tryb pasywny: ΔV th ~ 0.00 D 0.4 t ox Tryb aktywny: ΔV th ~ 0.04 D t ox f Tryb aktywny tzn. z dodatnią polaryzacją na bramce w czasie naświetlania. f część wygenerowanych dziur, która uniknęła rekombinacji 5

26 Tryb aktywny (z polaryzacji): ΔV th =0,04 D f t ox Spolaryzowany tranzystor o tlenku wytworzonym w procesie termicznego utleniania wykazuje obydwa efekty Q ot i Q it. Tryb pasywny (bez polaryzacji): ΔV th =0,00 D 0,9 t ox Tranzystor nie spolaryzowany nie wykazuje zmiany nachylenia podprogowego czyli dominuje efekt ładunku Q ot. Spolaryzowany tranzystor o tlenku wytworzonym w procesie termicznego utleniania połączonym z procesem depozycji SiO wykazuje tylko efekty Q ot. aktywny Sposób odczytu pasywny 6

27 Skala logarytmiczna Tryb pomiaru mosimetru Podprogowy widok charakterystyki prądowo-napięciowej PMOS-a 7

28 Pomiar napięcia progowego CC Constatnt Current Arbitralny wybór prądu progowego I Dth w zakresie od 10pA do 1µA; odczytanie wartości napięcia na zmierzonej krzywej I D (V GS ) podprogowej (logarytmiczna skala prądu) QCC Quasi-Constatnt Current Prąd progowy jest obliczany z analitycznego modelu słabej inwersji (podprogiem) ELR Linear Extrapolation Ekstrapolacja zmierzonej zależności I D (V GS ) w zakresie pracy liniowej V DS << V DSsat ESR Quadratic Extrapolation Ekstrapolacja zmierzonej zależności pierwiastka I D od V GS w zakresie nasycenia V DS V DSsat TC TD CsrTR NMID NRH TCR Transconduction Change Third-derivative Current-to-square-root-ofthe-Transconductance Ratio Transition method Normalized Mutual Integral Difference Normalized Reciprocal H function Transconductance-to- Current-Ratio Poszukiwanie maksimum pochodnej zmierzonej zależności transkonduktancji g m od napięcia V GS Opiera się na własnościach całkowej funkcji różnicowej (integral difference function) D(V G, I D ) Także oparta na funkcji D(V G, I D ) Wykorzystuje funkcję H(V G, I D ) wprowadzona do badań napięcia progowego cienkich amorficznych tranzystorów MOS 8

29 Pomiar napięcia progowego Metoda prądu stałego CC (Constatnt Current) 9

30 Pomiar napięcia progowego Metoda punktu dopasowania MP (Match-Point) Napięcie progowe V th to taka wartość V G, przy której pomiary odchylają się od prostej aproksymującej prąd podprogowy (na wykresie pół-logarytmicznym) o 5%. 30

31 Pomiar napięcia progowego Metoda Liniowej Ekstrapolacji ELR (Extrapolation in the Linear Region) Napięcie progowe V th to taka wartość V G, przy której liniowa ekstrapolacja krzywej I D V G poprowadzona w jej punkcie przegięcia (maksimum pierwszej pochodnej czyli maksymalna transkonduktancja) przecina oś napięcia V G. 31

32 Pomiar napięcia progowego Metoda Liniowej Ekstrapolacji ESR (Extrapolation in the Saturation Region) 3

33 Pomiar napięcia progowego Metoda drugiej pochodnej SD (Second-derivative method) albo Metoda zmian transkonduktancji TC (Transconduction Change) Napięcie progowe V th to taka wartość V G, przy której pochodna transkonduktancji jest maksymalna. dgm d I D dv dv G G 33

34 Pomiar napięcia progowego Metoda drugiej pochodnej SD (Second-derivative method) albo Metoda zmian transkonduktancji TC (Transconduction Change) 34

35 Pomiar napięcia progowego Metoda trzeciej pochodnej TD (Third-derivative) 35

36 Pomiar napięcia progowego Metoda stosunku pradu do pierwiastak transkonduktancji CsrTR (Current-to-square-root-of-the-Transconductance Ratio) 36

37 Pomiar napięcia progowego Całkowa funkcja różnicowa (integral difference function): Funkcja H: Odwrotna i znormalizowana funkcja H: 37

38 Pomiar napięcia progowego A. Ortiz-Conde,

39 Tryb pomiaru mosimetru I D β (V GS V th ) V DSsat V DS V V GS DSsat V th I D0 V DD Gdy tranzystor jest w połączeniu diodowym tzn. bramka jest zwarta z drenem to zpewniona jest praca w nasyceniu gdyż V GS = V DS : D V GS I D0 V GS ( V V th GS V th I D ) 0 G GND S B Ta wartość V GS jest praktycznym parametrem dozymetrycznym. 39