Cấu trúc, điện cực và trường dữ liệu
Vùng và vật liệu
Một vùng là phần hình học có tên; vật liệu của vùng quyết định tính chất vật lý của nó.
Region (vùng) là phần hình học có tên, như cổng, oxit, nguồn, máng, đế; material (vật liệu) là chất tạo nên vùng: đa tinh thể silicon, silicon dioxide hoặc silicon đơn tinh thể.
Nguồn, máng và đế là ba vùng khác nhau nhưng cùng vật liệu silicon, chỉ khác doping (pha tạp: thêm tạp chất để có nhiều electron, gọi là loại n, hoặc nhiều lỗ trống, gọi là loại p).
Xem lời đọc
Hãy nhìn lại MOSFET mẫu như một bản vẽ có tên. Mỗi phần có tên riêng gọi là một vùng, gồm cổng, ôxit, nguồn, máng và đế. Mỗi vùng được làm bằng một vật liệu, như đa tinh thể silicon, ôxit silicon hay silicon. Vật liệu quyết định tính chất vật lý của vùng. Nguồn, máng và đế là ba vùng khác nhau, nhưng cùng là silicon. Chúng khác nhau ở pha tạp.
| Vùng | Vật liệu | Ghi chú |
|---|---|---|
| Cổng | đa tinh thể silicon pha tạp loại n rất mạnh (n⁺) | cao 0,2 µm, dài 0,18 µm |
| Oxit cổng | silicon dioxide | dày 4,1 nm, chỉ nằm dưới cổng |
| Nguồn | silicon đơn tinh thể | pha tạp loại n mạnh, sâu 0,12 µm |
| Máng | silicon đơn tinh thể | pha tạp loại n mạnh, sâu 0,12 µm |
| Đế | silicon đơn tinh thể | pha tạp loại p |
Cổng thật là đa tinh thể silicon loại n⁺ có nhiều electron. Mô hình DEVSIM của dự án (bộ giải số mà dự án dùng) chỉ coi cổng là mặt đặt điện thế lên oxit và không giải hạt tải bên trong cổng; hình vẽ cổng để dễ hình dung.
Điện cực
Điện cực là biên có điều kiện điện; không phải đường biên nào giữa các vùng cũng là điện cực.
Contact (điện cực) là nơi đặt điện áp hoặc đo dòng điện: cổng, nguồn, máng và đế.
Mặt phân cách silicon–oxit và các mép ngoài của linh kiện là biên, nhưng không đặt điện áp vào đó.
Xem lời đọc
Bây giờ ta xét điện cực. Điện cực là nơi ta đặt điện áp hoặc đo dòng điện. MOSFET mẫu có bốn điện cực, gồm cổng, nguồn, máng và đế. Nhưng không phải đường biên nào cũng là điện cực. Mặt phân cách giữa silicon và ôxit là một biên, và ta không đặt điện áp vào đó. Mép ngoài của linh kiện cũng vậy, không có dòng đi qua.
Nguồn, máng và đế là tiếp xúc ohmic: tiếp xúc không cản dòng, dòng tỉ lệ với điện áp; ở đó điện tích trung hòa và hạt tải ở cân bằng nhiệt với pha tạp. Cổng đặt điện thế lên mặt oxit và không có hạt tải.
Điện thế được tính từ mức Fermi của silicon chưa pha tạp, đặt làm 0 (mốc của bộ giải). Cổng là đa tinh thể silicon loại n⁺ có mức Fermi gần đáy vùng dẫn, cao hơn mốc đó khoảng nửa độ rộng vùng cấm (1,12 V), tức khoảng 0,56 V. Vì vậy điện thế cổng bằng điện áp cổng cộng 0,56 V.
Mặt silicon ngoài cổng và hai mép bên là mép ngoài, không có dòng đi qua. Ở mặt phân cách silicon–oxit dưới cổng, điện trường liên tục còn hạt tải không đi vào oxit. Điện cực đế nằm ở đáy, cách mặt silicon 1 µm: đây là phần trên của một đế thật dày hơn nhiều.
Trường dữ liệu
Một trường dữ liệu gán một giá trị cho từng vị trí; cùng một cấu trúc có nhiều trường khác nhau.
Field (trường dữ liệu) là bản đồ giá trị theo vị trí, như pha tạp ròng, nồng độ electron hay điện thế.
Cùng một cấu trúc, nhưng mỗi trường là một bản đồ riêng; hình học giống nhau không bảo đảm các trường giống nhau.
Xem lời đọc
Trên cùng một cấu trúc có thể có nhiều trường dữ liệu. Một trường là một bản đồ, mỗi vị trí có một giá trị. Đây là pha tạp ròng, tức là chất cho trừ chất nhận. Đây là nồng độ electron, khi điện áp cổng là một vôn. Điện áp máng khi ấy là không phẩy không năm vôn. Còn đây là điện thế. Hình học thì giống nhau, nhưng ba bản đồ rất khác nhau.
Pha tạp ròng là nồng độ chất cho trừ nồng độ chất nhận. Chất cho (donor) nhả electron, chất nhận (acceptor) nhận electron; pha tạp ròng dương là loại n, âm là loại p. Nó không đổi khi đặt điện áp. Nồng độ electron và điện thế là kết quả của bộ giải, ở điện áp cổng 1,0 V và điện áp máng 0,05 V.
Nồng độ vẽ theo thang lôga. Pha tạp ròng đổi dấu nên bản đồ vẽ độ lớn theo thang lôga và tô màu theo dấu: xanh loại n, đỏ loại p. Cả ba bản đồ cùng một cửa sổ: bề ngang 0,78 µm, độ sâu 60 nm dưới mặt silicon, phóng dọc khoảng ×1,7. Cửa sổ chỉ cao 60 nm nên chỉ thấy nửa trên của nguồn và máng, vốn sâu 0,12 µm.
Tọa độ và đường cắt
Muốn đọc một giá trị phải biết điểm bắt đầu, hướng cắt và vùng mà đường cắt đi qua.
Trục x chạy ngang từ nguồn sang máng, trục y chạy sâu xuống từ mặt silicon; đây là quy ước của bài.
Đường cắt qua nguồn và đường cắt qua giữa cổng cùng bắt đầu ở mặt silicon nhưng gặp các vùng pha tạp khác nhau.
Xem lời đọc
Muốn đọc một giá trị, ta phải biết vị trí của nó. Ở bài này, trục x chạy ngang từ nguồn sang máng, trục y chạy sâu xuống từ mặt silicon. Đường cắt thứ nhất đi qua giữa cổng. Đường cắt thứ hai đi qua nguồn. Cả hai đường cắt đều bắt đầu từ mặt silicon của linh kiện. Nhưng chúng gặp các vùng pha tạp khác nhau, nên cho hai đường khác nhau.
Mỗi tệp dữ liệu có hệ tọa độ riêng. Nếu tệp ghi độ sâu ở cột mà ta tưởng là chiều ngang, một đường đi theo chiều sâu sẽ bị đọc thành đường đi theo chiều ngang. Trục y hướng xuống là quy ước của bài, khác với trục toán học hướng lên. Trước khi so hai đường, ghi điểm đầu, hướng cắt, đơn vị và các vùng mà đường cắt đi qua.
Hình dùng pha tạp ròng tại hai vị trí: qua nguồn (x = 0,075 µm, giữa tiếp xúc nguồn) và giữa cổng (x = 0,39 µm), độ sâu 0 đến 0,5 µm, dài hơn cửa sổ ở trang trước. Junction (tiếp giáp) p–n là nơi pha tạp ròng đổi dấu. Chỉ đường cắt qua nguồn có tiếp giáp; đường cắt giữa cổng chỉ đi qua đế loại p.
Nồng độ và liều
Nồng độ cho số hạt trên mỗi centimet khối; nhân nồng độ với độ dày từng lớp mỏng rồi cộng lại cho liều, số hạt trên mỗi centimet vuông.
Concentration (nồng độ) đo bằng cm⁻³; dose (liều) là diện tích dưới đường nồng độ theo độ sâu, đo bằng cm⁻².
Với bước cấy chỉnh ngưỡng (cấy boron để đặt điện áp ngưỡng), diện tích đó là 8,2×10¹² cm⁻², gần đúng với liều đã cấy.
Xem lời đọc
Nồng độ cho biết số hạt, ví dụ nguyên tử tạp chất, trong mỗi centimet khối. Đây là đường nồng độ của bước chỉnh ngưỡng theo độ sâu. Nếu nhân nồng độ với độ dày của từng lớp mỏng rồi cộng lại, ta được liều. Liều là số nguyên tử trên mỗi centimet vuông bề mặt. Phần tô màu là diện tích dưới đường. Diện tích này bằng tám phẩy hai nhân mười mũ mười hai, gần đúng với liều đã cấy.
Một lớp phẳng có nồng độ 10¹⁸ cm⁻³ và dày 100 nm, tức 10⁻⁵ cm, chứa 10¹³ cm⁻². Đổi bề dày mà giữ nồng độ thì liều đổi; đổi độ rộng của một phân bố mà giữ liều thì đỉnh đổi.
Tích phân đường nồng độ của bước chỉnh ngưỡng từ 0 đến 0,5 µm cho 8,228×10¹² cm⁻² (hiển thị làm tròn 8,2×10¹²), thấp hơn liều cấy 8,25×10¹² cm⁻² chỉ 0,27 %. Chênh lệch nhỏ này đến từ cách lấy mẫu mỗi 5 nm và tích phân số hình thang.
Thang tuyến tính và thang lôga
Thang lôga cho thấy cả phần đuôi nồng độ nhỏ, nhưng diện tích dưới đường trên thang lôga không phải liều.
Thang tuyến tính cho thấy đỉnh và phần đóng góp vào liều; thang logarithmic (lôga) cho thấy các nồng độ chênh nhau nhiều bậc.
Muốn tính liều phải tích phân nồng độ thật, không dùng diện tích nhìn thấy dưới đường lôga.
Xem lời đọc
Cùng một đường nồng độ có thể vẽ theo hai thang. Bên trái là thang tuyến tính, ta thấy rõ đỉnh. Phần đuôi gần như bằng không. Bên phải là thang lôga, mỗi vạch ngang hơn kém nhau một trăm lần. Nhờ vậy ta thấy rõ cả phần đuôi nhỏ của đường nồng độ. Nhưng đừng đo diện tích dưới đường lôga. Muốn có liều, ta phải tích phân nồng độ thật.
Phần đuôi nồng độ thấp có thể nhỏ so với đỉnh nhưng vẫn quyết định vị trí tiếp giáp và dòng rò của tiếp giáp. Trên thang tuyến tính, đuôi hầu như nằm sát trục nên không thấy được. Mỗi bậc lôga là gấp 10 lần.
Đường vẽ là nồng độ arsenic hoạt hóa ở giữa nguồn, độ sâu 0 đến 0,2 µm; nồng độ dưới 10¹⁰ cm⁻³ không được ghi.
Dòng điện, mật độ dòng và bề rộng
Mô phỏng hai chiều báo dòng ở điện cực theo bề rộng kênh; muốn so với kết quả đo phải nhân với bề rộng thật.
Dòng đo bằng ampe; current density (mật độ dòng) là dòng chia cho diện tích, đo bằng A/cm²; mặt cắt hai chiều báo dòng ở điện cực trên mỗi µm bề rộng kênh.
Với bề rộng kênh 10 µm, dòng máng 27,25 µA/µm cho 272,5 µA, tức khoảng 272 µA.
Xem lời đọc
Cuối cùng là dòng điện. Dòng đo bằng ampe. Mật độ dòng là dòng chia cho diện tích. Mô phỏng hai chiều không có chiều thứ ba. Vì vậy nó báo dòng ở điện cực trên mỗi micrô mét bề rộng kênh. Ở điều kiện này, dòng máng là hai mươi bảy phẩy hai lăm micrô ampe trên mỗi micrô mét. Muốn so với kết quả đo, ta phải nhân với bề rộng thật. Bề rộng mười micrô mét cho khoảng hai trăm bảy mươi hai micrô ampe.
Mặt cắt hai chiều chỉ có chiều ngang và chiều sâu; bên trong nó vẫn có mật độ dòng cục bộ ở từng điểm. Chiều thứ ba, vuông góc với mặt cắt, là bề rộng kênh W. Dòng ở điện cực được báo trên mỗi µm bề rộng, và dòng toàn linh kiện bằng giá trị đó nhân với W (tính bằng µm).
Mô phỏng một chiều của diode báo mật độ dòng J theo A/cm²; muốn ra dòng thì nhân với diện tích tiếp giáp. Dòng 27,25 µA/µm là kết quả mô phỏng mẫu của dự án, lấy ở điện áp cổng 1,0 V và điện áp máng 0,05 V.
Số liệu
- Thiết bị: NMOS mẫu 180 nm, L cổng 0,18 µm, oxit 4,1 nm; DEVSIM drift-diffusion 2D, 300 K; điện áp cổng 1,0 V, điện áp máng 0,05 V.
- Lưới bản đồ: 160 cột (x 0–0,78 µm) × 60 hàng (y −0,0041–0,06 µm); hàng y < 0 là oxit.
- Dấu của pha tạp ròng: Dấu (loại n/loại p) của bản đồ pha tạp ròng lấy từ lưới giải tích 100×60 cùng mô hình; độ lớn lấy từ lưới mịn 160×60. Ở vài ô sát tiếp giáp, nơi pha tạp ròng gần 0, dấu có thể lệch một ô.
- Liều: tích phân đường nồng độ của bước chỉnh ngưỡng từ 0 đến 0,5 µm cho 8228000000000 cm⁻², so với liều cấy 8250000000000 cm⁻² (chênh -0,27 %).
- Dòng máng: Dòng máng tại điện áp cổng 1,0 V, điện áp máng 0,05 V, từ DEVSIM, bằng 27,25 µA/µm.
- Nguồn: so-lieu.json của bài "Từ công thức chế tạo đến đặc tuyến" (profile theo độ sâu, lưới pha tạp ròng 100×60, dòng máng) và ket-qua/khung-psi-p (ψ, n, độ lớn pha tạp ròng trên lưới 160×60).