ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی بدون امیتر و پایه دوپه شده ناخالصی: طراحی و عملکرد

چکیده

در این مقاله، ما نسبت به ارائه یک رویکرد جایگزین  در  ارتباط  با  پیاده سازی  ترانزیستور  دو قطبی جمع کننده شاتکی  بدون دوپه سازی  فیلم سیلیکون – بر- عایق  ابر نازک  اقدام    می نمائیم. با استفاده از الکترودهای تابع کار مختلف فلزی، قابلیت القا و تحریک الکترون ها و حفره ها در یک فیلم یا لایه سیلیکونی اصلی جهت ایجاد نواحی با n – منتشر کننده یا امیتر و p – پایه به ترتیب حاصل آمده است. با استفاده از شبیه سازی ابزار دو بعدی، عملکرد ابزار پیشنهادی مورد ارزیابی قرار می گیرد. نتایج ما مشخص کننده آن می باشند که ترانزیستور دو قطبی بار الکتریکی پلاسما- مبنا با کلکتور یا جمع کننده شاتکی معرف بهره جریان بالا و فرکانس قطع بهتر، در مقایسه با همتایان متعارف خود، می باشند.

کلمات کلیدی: فناوری CMOS، بهره جریان، ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی، سیلیکون- بر – عایق، شبیه سازی

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی

۱- مقدمه

ترانزیستورهای دو قطبی جمع کننده شاتکی به طور گسترده ای در مراجع [۱] – [۶] مورد بررسی قرار گرفته اند. به طور مثال، ترانزیستورهای PNP جمع کننده شاتکی عمودی بر روی سوباسترا یا زیر لایه های شیشه ای به طور تجربی مورد بررسی قرار گرفته اند [۳]. ترانزیستورهای جمع کننده شاتکی را می توان بر روی موج برهای سیلیکونی برای تشخیص نور مادون قرمز مورد استفاده قرار داد [۴]. در ترانزیستورهای دو قطبی با پیوند ناهمگن، کاربرد جمع کننده شاتکی نوعی رابطه تعاملی بهتری بین ظرفیت خازنی پایه – کولکتور و زمان گذار جمع کننده را ارائه می نماید [۶]. در خلال دوره های گذشته، ترانزیستورهای دو قطبی جمع کننده شاتکی (SCBTها) سیلیکون – بر- عایق (SOI) به طور گسترده ای در ارتباط با زمان ذخیره سازی کمتر جمع کننده و مقاومت سری اندک جمع کننده [۷] – [۱۰]، در مقایسه با NPN/PNP BJTهای متعارف، مورد بررسی قرار گرفته اند. یکی از نقص های اصلی ساختارهای SCBT عرضی ولتاژ پایین شکست جمع کننده می باشد. یکسری از فرایندها، نظیر ناحیه BOX تعمیم یافته و پایه دو- ناحیه ای [۱۰] جهت افزایش ولتاژ شکست جمع کننده SCBT ارائه شده است. بخش پایه دو- ناحیه ای دارای یک پایه کاملاً دوپه شده، در طرف منتشر کننده، و یک ناحیه پایه دوپه شده اندک، در طرف فلز جمع کننده شاتکی، می باشد. ناحیه دارای پایه دوپه شده اندک سبب کاهش پیک میدان الکتریکی در فصل مشترک فلز- پایه می شود، و در نتیجه سبب ارتقای ولتاژ شکست این ابزار می شود. با این وجود، ایجاد چنین پایه دو- ناحیه ای بر روی لایه های SOI فوق نازک [۱۰] با استفاده از فرایندهای دوپه سازی متعارف مشکل می باشد.

جهت فایق آمدن بر این مشکل، یک ترانزیستور بار پلاسمای دو قطبی جمع کننده شاتکی ابداعی (SC-BCPT) بر روی سیلیکون دوپه نشده پیشنهاد می شود [۱۱] ـ [۱۳]. ویژگی جدید ساختار پیشنهادی که در مقایسه با [۱۳] می باشد آن است که چنین موردی دارای یک جمع کننده شاتکی می باشد و در بردارنده بهره بالای بیشتر جریان و همچنین BV_CEO·f_T در مقایسه با [۵] می باشد. در SC-BCPT، نواحی p و n در لایه سیلیکون دوپه نشده بر مبنای کاربرد الکترود فلز امیتر (تابع کاری j_m،E < j_Si ) و الکترود فلز پایه (تابع کاری j_m، B > j_Si) به ترتیب شکل می گیرند. ناحیه پایه حاوی یک ناحیه p القایی و یک ناحیه دوپه شده اندک با طول L_s2 و مساحت NA =1 ×۱۰^۱۴/cm^-3 می باشد. این ناحیه L_s2 بر روی طرف فلز شاتکی سبب کاهش پیک میدان الکتریکی در فصل مشترک فلز ـ پایه می شود. بنابراین، به آسانی قابلیت تشکیل یک پایه دو- ناحیه ای در SC-BCPT، در مقایسه با SCBT پایه دو- ناحیه ای متعارف، وجود دارد [۱۰]. با استفاده از شبیه سازی های دو بعدی، ما نشان می دهیم که SC-BCPT معرف بهره کاملاً معنی دار بیشتر β و فرکانس قطع f_T در مقایسه با SCBT با هندسه ابزاره یکسان می باشد.

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی

۲- ساختار ابزاره و پارامترها

نمای سطح مقطع SC-BCPT و SCBT متعارف در شکل ۱ نشان داده شده است. پارامترهای شبیه سازی نیز در جدول ۱ ارائه گردیده اند. در SC-BCPT، الکترود فلز هافنیوم (تابع کاری ϕ_m,E = 3.9 eV) جهت ایجاد این امیتر /  انتشار دهنده از طریق القای پلاسمای الکترون در فیلم یا لایه سیلیکون دوپه نشده بکار گرفته می شود. حفره ها نیز جهت ایجاد پایه با استفاده از یک پشته TiN/HfSiO_x/SOI دوپه شده با فلورین بکار گرفته می شوند (تابع کار ϕ_m,B = 5.4 eV) [14]. ما ضخامت لایه سیلیکونی را در محدوده طول دبای انتخاب نموده ایم [۱۳]. جمع کننده هر دو مورد ترانزیستورها آلومینیومی می باشد (تابع کار ϕ_m,C = 4.28 eV). برای SC-BCPT در شکل ۱ (الف)، غلظت های شبیه سازی شده (در سطح دو نانومتری از بخش فوقانی فصل مشترک SiO₂-Si) برای بایاس صفر و بایاس فعال در شکل ۲ نشان داده شده است. دو مولفه تعادل حرارتی (V_BE =V_CE =0 V) و بایاس فعال مستقیم (V_BE=0.7 V و V_CE=1.0 V)، غلظت های الکترون و حفره در امیتر (n_E = 1 ´ ۱۰^۱۹/cm³) و در پایه (p_B = 9 ´ ۱۰^۱۸/cm³) تامین می گردند. ایجاد غلظت های الکترون / حفره در لایه سیلیکونی دوپه نشده سبب تشکیل یک ترانزیستور بار پلاسمای دو قطبی با یک کلکتور شاتکی می شود. SCBT پایه دو ناحیه ای متعارف که ما نتایج خود را بر مبنای آن مقایسه نموده ایم نیز به عنوان یک ساختار SOI به شمار آمده و دارای پارامترهای ابزاره ای یکسان و مشابه همانند SC-BCPT، البته به  استثنای موارد ذیل، می باشد: ۱) طول های امیتر و پایه به گونه ای انتخاب گردیده اند تا این اطمینان حاصل شود که هر دوی ترانزیستورها از پهنای پایه مساوی برخوردار باشند و ۲) فرایند دوپه سازی نیز مشابه با موارد مطرح شده در مرجع [۱۰] اعمال شده است. به طور متعارف، ترانزیستورهای دو قطبی با اعداد Gummel یکسان مقایسه می شوند. با این وجود، در وضعیت کنونی، ما قابلیت حفظ اعداد Gummel مرتبط با SC-BCPT و SCBT به صورت یکسان را نخواهیم داشت. در صورتی که آنها یکسان باشند، بهره جریان SCBT کاملاً پایین (کمتر از یک) خواهد بود. مزیت SC-BCPT آن است که ناحیه پایه دوپه شده اندک در امتداد طرف فلز کلکتور را می توان به عنوان یک ویژگی اصلی حفظ کرد.

شبیه سازی ها [۱۵] با استفاده از آمار فرمی ـ دیراک، مدل تحرک یکپارچه فیلیپ [۱۶] و مدل باریک شدگی باند گپ القای دوپه [۱۷]، [۱۸] انجام شدند که همگی آنها دارای پارامترهای سیلیکونی پیش فرضی بودند. ابزار شبیه سازی ما از یک مدل مناسب برای فرایند باریک سازی باند گپ القایی حامل برخوردار نمی باشد. بنابراین، چنین موردی در مقاله ما مدنظر قرار نخواهد گرفت. مدل انتشار گرمایونی استاندارد [۱۵] برای تماس های فلزی SC-BCPT بکار گرفته شده است. با استفاده از ثابت ریچاردسون، سرعت ترکیب مجدد سطح الکترون ها و حفره ها  به میزان   ۲٫۲ ´ ۱۰^۶ cm/s و ۱٫۶ ´ ۱۰^۶ cm/s   به ترتیب  محاسبه  می شود. جهت به حساب آوردن ویژگی پیوند کلکتور شاتکی، مدل انتشار گرما یونی استاندارد مورد استفاده قرار می گیرد که در آن تأثیر پدیده کاهش سد نیرو نیز مدنظر خواهد بود [۱۵]. برای این باز ترکیب، ما دارای مدل Klaassen برای چرخه حیات وابسته به این تراکم برای باز ترکیب SRH با توجه به چرخه عمر حامل ذاتی n_ie =n_ih =0.2μs می باشیم. تأثیرات پوششی در لایه معکوس نیز مدنظر است [۲۰]. مدل یونیزاسیون ضربه Selberherr نیز جهت محاسبه BV_CEO بکار گرفته شده است [۲۱]. فلز پایه مشابه نیز در بخش تماسی پایه SC-BCPT و SCBT جهت اطمینان از این موضوع بکار گرفته شد که خواص تماس پایه در هر دو ترانزیستور بصورت یکسان باشد. چنین موردی این اطمینان را حاصل می آورد که جریان کمتر پایه در SC-BCPT به واسطه تفاوت در خواص تماسی پایه نمی باشد. شرایط اتصال اهمی نیز در کلیه تماس های دیگر با توجه به مقاومت های تماسی قابل اغماض مدنظر خواهد بود.

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی

۳- نتایج و مباحث

ویژگی خروجی SC-BCPT با ویژگی SCBT پایه دو ناحیه متعارف در شکل ۳ مقایسه شده است. این موضوع به آسانی قابل مشاهده است که ابزاره SC-BCPT از قابلیت جریان بیشتری در مقایسه با SCBT متعارف برای نوع جریان پایه مشخص شده برخوردار می باشد. ویژگی V_CE نیز در ارتباط با مؤلفه های خروجی SC-BCPT مشخص شده است که می توان آن را بواسطه علل ذیل دانست: (۱) اعداد گومل پایه برزگ و (۲) جریان حامل اکثریت بزرگ دیود شاتکی پایه ـ p به ـ فلز به صورت دوپه شده سبک و همچنین کاملاً تهی شده [۳]، [۷]. پیک بهره جریان SC-BCPT (تقریباً، ۱۳۰۰۰) به صورت چندین مرتبه بالاتر در مقایسه با پیک SCBT متعارف (تقریباً ۴۰) می باشد همانگونه که در شکل ۴ نشان داده شده است. از نمودارهای گومل که در شکل ۵ نشان داده شده است، این موضوع مشخص می شود که جریان کلکتور SC-BCPT در مقایسه با SCBT بیشتر است. به هنگامی که در ارتباط با ضخامت SOI در جهت پایین حرکت می نماییم، پتانسیل ساخته شده داخلی پیوند امیتر ـ پایه SC-BCPT بر خلاف SCBT [شکل ۶ الف] کاهش می یابد [شکل ۶ ب]. چنین موردی سبب ارتقای جریان جمع کننده در SC-BCPT در مقایسه با این جریان در SCBT برای یک بایاس مستقیم می شود. نمودارهای گومل در شکل ۵ نشان دهنده جریان پایه SC-BCPT به صورت بسیار کوچکتر از SCBT می باشد که حاصل آمده در یک بهره جریان ارتقا یافته به شمار می آید. این کاهش در جریان پایه به واسطه انباشتگی الکترون سطح در فصل مشترک هافنیوم ـ سیلیکون امیتر می باشد [۱۳، ۲۲، ۲۳]. برای V_BE < 0.2 V، جریان باز ترکیب به صورت غالب همانگونه که در شکل ۵ نشان داده شده است می باشد. در V_BE بالاتر، جریان نفوذ بیشتر شده و شیب جریان پایه ارتقا می یابد. برای V_BE < 0.8 V، شیب ضعیف در جریان کلکتور به واسطه ترکیب تأثیرات سطح تزریق بالا و تأثیر اولیه معکوس شدگی می باشد. در نمودارهای گومل در شکل ۵، SC-BCPT نشان دهنده جریان کلکتور بیشتری در مقایسه با SCBT می باشد و بنابراین از رسانایی متقابل بالاتری برخوردار بوده که خود منجر به فرکانس قطع بهتر f_T (30.56 GHz) در مقایسه با SCBT (23.8 GHz) همانگونه که در شکل ۷ نشان داده شده است می گردد. بنابراین حاصل BV_CEO · f_T را می توان به صورت SC-BCPT در مقایسه با ۳۹٫۴۸ V-GHz (BV_CEO = 1.3 V) مرتبط با ۴۲٫۸۴ V-GHz (در BV_CEO = 1.8 V) نشان داد.

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی

۴- تأثیر تله های فصل مشترک بر روی بهره جریان

در SC-BCPT، در فصل مشترک هافنیوم ـ سیلیکون، تله های نوع گیرنده و دهنده ممکن است وجود داشته باشند [۲۳، ۲۴]. جهت شبیه سازی تأثیر آنها بر روی بهره جریان، ما هر دو نوع این تله ها با توجه به سطح انرژی تله (سطح E) در حد ۰٫۴۹ eV از باند رسانش (یا والانس) را در نظر می گیریم [۲۴].

فاکتور تباهیدگی (degen) به میزان ۱۲ و سطوح مقطع حاصله برای الکترون ها (sign) و حفره ها (sigp) به ترتیب ۲٫۸۵ ´ ۱۰^-۱۵/cm² و ۲٫۸۵ ´ ۱۰^-۱۴/cm² می باشند.

جریان پایه با افزایش در تراکم تله در فصل مشترک فلز ـ نیمه رسانا افزایش می یابد که منجر به یک کاهش در پیک بهره جریان همانگونه که در شکل ۸ نشان داده شده است می گردد. حتی با تراکم تله ۱۰^-۱۲/cm²، SC-BCPT همچنان دارای پیک بالاتر بهره جریان می باشد. کنترل این تله ها در بخش تماس پایه نیز به عنوان یک مؤلفه مهم جهت درک بهره بزرگتر جریان به حساب می آید. قبل از رسوب فلز پایه، آماده سازی سطح می بایست به خوبی اجرا شود، چرا که این رویه به عنوان یکی از راهکارهای به حساب آمده در غالب رویه های ساخت پیشرفته می باشد. با درج یک اکسید طبیعی برابر با تقریباً ۱۰-۱۵ Å بین بخش های تماسی فلز ـ نیمه رسانا قابلیت به حداقل رسانی تأثیر تله های سطحی به وجود خواهد آمد [۲۲، ۲۵].

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی

۵- نتیجه گیری

در این مقاله، برای اولین بار، ما نسبت به پیاده سازی یک ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی با یک بخش پایه دو- ناحیه ای بر روی یک فیلم یا لایه SOI دوپه نشده از طریق القای پلاسمای باردار در امیتر و ناحیه پایه ترانزیستور اقدام نمودیم. ویژگی های این ابزاره شبیه سازی شده و با ویژگی های SCBT پایه دو ناحیه ای دوپه شده متعارف دارای هندسه مشابه با استفاده از شبیه سازی های عددی دو بعدی مقایسه شد. نتایج ما نشان دهنده آن می باشند که SC-BCPT پیشنهادی دارای بهره جریان معنی دار بیشتر، فرکانس قطع بالاتر و همچنین ویژگی جریان بهتر در مقایسه با مورد معمولی آن می باشد. با این وجود، ذکر این نکته ضروری است که کنترل تابع کار فلز و خواص تماس سیلیکون ـ فلز / دوپه نشده همچنان به عنوان مسایل چالش برانگیز در فرایند ساخت SC-BCPT به شمار می آیند.

ترانزیستور دو قطبی جمع کننده شاتکی