CN109696251A - 基于mosfet器件界面陷阱复合效应的温度测量方法 - Google Patents

基于mosfet器件界面陷阱复合效应的温度测量方法 Download PDF

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陈海峰
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Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种基于MOSFET界面陷阱效应的温度测量方法，包括：测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值；根据复合电流的极值在电流温度对照表中查找到对应的温度值即为当前环境的温度。依据本申请的基于MOSFET界面陷阱效应的温度测量方法，由于在漏极电压Vd的作用下使得PN结正偏且MOSFET的源极悬浮时，此时栅极电压Vg使得栅底下的沟道进入到耗尽状态，此时MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生复合电流Ir由于增加了exp[Vd/Vt]指数项，因此在采用栅极电压Vg进行扫描过程中Ir变化更加明显，因此Ir对温度的变化异常敏感因此更易探测出温度的变化，同时探测范围大。

Description

基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法。
背景技术
温度探测在生产和科研活动中的作用越来越重要，使用半导体探测器来探测温度已经非常普遍。目前半导体探测器主要利用二极管PN结的输出电压与温度的关系来测量温度，其测量的范围主要集中在室温附近，难以满足更大范围的温度测量需求。如何将通过新的半导体技术原理来获得更好的测量范围及精度，已经成为一个亟需解决的技术难点。
发明内容
为了解决现有技术中利用PN结的输出电压与温度的关系来测量环境温度时测量范围小的技术问题，本申请提供一种基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法。
一种基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法，包括：
步骤1:测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值；
步骤2:根据所述复合电流的极值在电流温度对照表中查找到对应的温度值即为当前环境的温度；
所述电流温度对照表通过以下步骤获取：
步骤201：记录当前环境温度，测试当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值；
步骤202:改变当前环境温度，重复所述步骤201得到不同环境下对应的复合电流的极值;
步骤203:根据环境温度与得到的复合电流的极值的对应关系，得到电流温度对照表。
其中，所述测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值，包括：
设置MOSFET的漏极电压Vd使得漏极的PN结正偏，将MOSFET的衬底接地，将MOSFET的源极悬浮；
采用栅极电压Vg进行扫描，当栅极电压Vg使得栅极底下的沟道进入到耗尽状态时，MOSFE界面陷阱充当复合中心而在漏极产生复合电流Ir，测量复合电流Ir的最大值或最小值作为复合电流Ir的极值；
其中，所述复合电流Ir=A*r*exp[Vd/Vt]，其中r为复合率因子，Vt为电子的热电势，A为与器件相关的比例系数。
其中，所述漏极电压Vd的绝对值小于0.2V；
其中若MOSFET为n型，则设置Vd＜0V，若MOSFET为p型，则设置Vd＞0V。
进一步的，还包括：
根据所述电流温度对照表绘制电流与温度的曲线图；
根据所述复合电流的极值在所述电流与温度的曲线图中查找得到当前环境的温度。
其中，所述采用栅极电压Vg进行扫描，包括：将栅极电压Vg从-0.6V逐渐增大到0.4V。
其中，所述MOSFET为硅或锗材料制成。
依据上述实施例的基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法，由于在漏极电压Vd的作用下使得PN结正偏且MOSFET的源极悬浮时，此时栅极电压Vg使得栅底下的沟道进入到耗尽状态，此时MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生复合电流Ir，由于增加了exp[Vd/Vt]指数项，因此在采用栅极电压Vg进行扫描过程中Ir变化更加明显，因此Ir对温度的变化异常敏感，更易探测出温度的变化，同时探测范围大，经过测试可以探测到250K~400K的温度范围；另外，在进行温度测试时由于是直流测试，因此具有对器件要求较低。
附图说明
图1为本申请实施例温度测量方法流程图；
图2为本申请实施例的电流与温度对照表获取方法流程图；
图3为本申请实施例中Vd=0.05V时三种不同温度下MOSFET的界面产生复合电流Ir与栅压Vg的关系曲线图；
图4为本申请实施例中MOSFET在Vd=0.05V时得到的测量温度与Irmin的关系曲线图；
图5为本申请实施例中MOSFET在Vd=0.05V下测量环境下的界面产生电流Ir-Vg曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本申请的基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法的原理为：对于MOSFET器件，给其加合适的漏极电压Vd时，漏极电压Vd使得漏极的PN结正偏且源极悬浮时，当栅极电压Vg使得栅底下的沟道进行耗尽状态时，界面陷阱充当复合中心从而在漏极形成漏极复合电流Ir，而产生的复合电流Ir=A*r*exp[Vd/Vt]，其中A为与MOSFET器件相关的比例系数，r表示复合率因子，Vt为电子的热电势，复合率因子r=ni/2, 而ni与温度成正增长关系，因此r也与温度T成正增长关系, Vt与温度也成正比。在相同的器件偏置条件下，当温度增加时，于是r变大从而复合电流的绝对值变大，当采用栅极电压Vg进行扫描时得到Ir的变化曲线，Ir的变化曲线形成波谷或波峰，即具有一个最大值或者一个最小值。其中对于n型MOSFET，采用栅极电压Vg进行扫描时得到的复合电流Ir的变化曲线呈现波谷状，此时复合电流Ir具有最小值，即Irmin，而对比p型MOSFET，采用栅极电压Vg进行扫描时得到的复合电流Ir的变化曲线呈现波峰状，此时复合电流Ir具有最大值，即Irmax。在实际测量中，可以任意选择p型或者n型MOSFET，对应的，当选择p型MOSFET时则记录复合电流Ir最大值Irmax，而选择n型MOSFET时，则记录复合电流Ir的最小值Irmin。例如，选择n型MOSFET，当电流Ir到达波谷时，记录电流Ir最小值Irmin，由此得到了当前温度下的复合电流Ir最小值Irmin，通过多次改变温度，得到多组温度和Irmin的对应关系，绘制温度和Irmin的曲线图。对于任意环境，测量出当前环境温度对应的复合电流Ir最小值Irmin，然后通过温度与Irmin之间的关系曲线来查找，从而获得环境温度。其中， MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流Ir，由于增加了exp[Vd/Vt]指数项，因此在采用栅极电压Vg进行扫描过程中Ir变化更加明显，因此Ir对温度的变化异常敏感因此更易探测出温度的变化，同时探测范围极大，通过多次测试可以探测到250K~400K的温度范围。
实施例1
本实施例提供一种基于MOSFET界面陷阱效应的温度测量方法，本实施例选择n型MOSFET作为实验器材，当采用栅极电压Vg进行扫描时得到Ir的变化曲线，Ir的变化曲线形成波谷状，具有一个最小值Irmin。以下结合附图对该方法进行说明。
如图1，该方法包括：
步骤101:测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的最小复合电流Irmin；
步骤102:根据测得的最小复合电流Irmin在电流温度对照表中查找到对应的温度值即为当前环境的温度。
其中，在步骤102中电流与温度的对照表通过以下方法获取：
步骤201：记录当前环境温度，测试当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的最小复合电流Irmin。
具体的，本实施例中选用恒温箱模拟环境温度，待恒温箱内温度稳定后，记录每次恒温箱内的温度信息。
其中，在步骤201中，测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的最小复合电流Irmin，包括：设置MOSFET的漏极电压Vd使得漏极的PN结正偏，将MOSFET的衬底接地，将MOSFET的源极悬浮。采用栅极电压Vg进行扫描，本实施例采用-0.6~0.4V的栅极电压Vg进行扫描，其中在扫描时栅极电压Vg由-0.6V逐渐增大到0.4V。当栅电极电压Vg使得栅极底下的沟道进入到耗尽状态时，MOSFET界面陷阱充当复合中心而在漏极产生复合电流Ir，测量扫描过程中复合电流Ir的最小值得到最小复合电流Irmin，并将当前恒温箱的温度和测得的最小复合电流Irmin对应记录。
具体的，本实施例中采用由硅材料制成的n型MOSFET器件为测试器件，设置该MOSFET测试器件的漏极电压Vg=0.05V。在其他实施例中MOSFET器件也可以采用锗或者其他半导体材料制成，也可以采用P型MOSFET器件。
在其他实施例中，MOSFET的漏极电压Vd的绝对值小于0.2 V，并且当MOSFET为n型，则设置Vd＜0V，若MOSFET为p型，则Vd设置大于0V。
步骤202:改变当前环境温度，重复上述步骤201得到不同环境下对应的最小复合电流Irmin;本实施例中通过改变恒温箱内的温度从250K~400K的范围依次变化，每个温度值下对应测量最小复合电流Irmin并记录。
如图3，为设置Vd=0.05V时三种不同温度下n型MOSFET的界面产生复合电流Ir与栅压Vg曲线上示意原理图，由图可知在栅压Vg逐渐增大的过程中复合电流Ir会达到一个波谷值，记录该波谷值的电流即为最小复合电流Irmin，且在不同的环境温度下最小复合电流Irmin不同，环境温度越高对应的最小复合电流Irmin越小。
步骤203:根据环境温度与得到的最小复合电流Irmin的对应关系，得到电流温度对照表。根据步骤202中测得多组电流和温度对应关系，得到该电流温度对照表，对于任何未知环境下的温度信息，只需要测得该环境下对应的最小复合电流Irmin的值，然后在电流温度对照表中查找得到对应的温度值，即为当前环境的温度信息。
其中，在其他实施例中，若实验器材选用p型MOSFET，则采用栅极电压Vg进行扫描时得到的复合电流Ir的变化曲线呈现波峰状，此时测量复合电流Ir的最大值Irmax，并且将当前环境温度和在该温度下的最大值一一建立对照表。在测量未知环境的温度时，也测量当前环境温度下的复合电流Ir的最大值，然后在对照表中查找，即可得到当前环境的温度，其中方法和上述p型MOSFET的测量方法相同，此处不在赘述。
其中，在其他实施例中，如图4，还可以根据获得的电流温度对照表绘制电流与温度的曲线图，当测量出在当前环境下的最小复合电流Irmin的值后，通过查找电流与温度的曲线图即可获取当前环境下的温度信息。
本实施例中，在当前未知温度的环境下，设置n型MOSFET的漏极电压Vd=0.05V，通过上述方法测得，在当前环境下温度下，采用-0.6~0.4V的栅极电压Vg进行扫描时，得到如图5所示的复合电流Ir与栅极电压Vg的曲线图，测量图中复合电流Ir达到波谷时的值为Irmin=-1.75*10-11A。
根据测量的Irmin=-1.75*10-11A，在图4中的电流与温度的曲线图中对照查找，即可得到Irmin=-1.75*10-11A所对应的环境温度为330K，即获得当前环境的温度为330K。
通过本实施例的温度测量方法，测量过程简单、且反应快速，对硬件器材的依赖性较低，最主要的是可以测量250K~400K范围内的环境温度，测量范围增大，使得应用该方法的应用范围更广。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种基于MOSFET器件界面陷阱复合效应的温度测量方法，其特征在于，包括：
步骤1:测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值；
步骤2:根据所述复合电流的极值在电流温度对照表中查找到对应的温度值即为当前环境的温度；
其中，所述电流温度对照表通过以下步骤获取：
步骤201：记录当前环境温度，测试当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值；
步骤202:改变当前环境温度，重复所述步骤201得到不同环境下对应的复合电流的极值;
步骤203:根据环境温度与得到的复合电流的极值的对应关系，得到电流温度对照表。
2.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于，所述测量当前环境下MOSFET界面陷阱充当复合中心时在漏极产生的复合电流的极值，包括：
设置MOSFET的漏极电压Vd使得漏极的PN结正偏，将MOSFET的衬底接地，将MOSFET的源极悬浮；
采用栅极电压Vg进行扫描，当栅极电压Vg使得栅极底下的沟道进入到耗尽状态时，MOSFET界面陷阱充当复合中心而在漏极产生复合电流Ir，测量复合电流Ir的最大值或最小值作为复合电流Ir的极值；
其中，所述复合电流Ir=A*r*exp[Vd/Vt]，其中r为复合率因子，Vt为电子的热电势，A为与器件相关的比例系数。
3.如权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于，所述漏极电压Vd的绝对值小于0.2V；
其中若MOSFET为n型，则设置Vd＜0V，若MOSFET为p型，则设置Vd＞0V。
4.如权利要求3所述的温度测量方法，其特征在于，还包括：
根据所述电流温度对照表绘制电流与温度的曲线图；
根据所述复合电流的极值在所述电流与温度的曲线图中查找得到当前环境的温度。
5.如权利要求4所述的温度测量方法，其特征在于，所述采用栅极电压Vg进行扫描，包括：将栅极电压Vg从-0.6V逐渐增大到0.4V。
6.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于，所述MOSFET为硅或锗材料制成。
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