This dissertation describes the development of a new physical model for thin film silicon-on insulator (SOI) nMOSFET, emphasizing the floating body effects that bring about the predominant parasitic BJT phenomena. Based on the charge balanced concept in floating body, a new approach is introduced to obtain the body potential. Analytical expressions for front gate threshold voltage, surface and body impact ionization rates, saturation voltage, and MOSFET and parasitic BJT current are also derived from the modulation of the body potential. The unique role of each current component is demonstrated and correlated to the current kink, the increase of the output conductance, and the degradation of breakdown voltage.
To clarify this model, device simulation is necessary to characterize those abnormal effects because direct experimental measurements will disturb the body potential inside the device. Throughout the two-dimensional numerical device simulation, it is found that the body potential, due to the excess holes, triggers the lateral BJT and then major current path is moved from the front surface to the body. It is also observed that the body current plays the major role in determining the breakdown characteristics.
MOSFET's are fabricated on separation by implanted oxygen (SIMOX) film. The techniques of device parameter extraction are introduced for the practical use of the SOI MOSFET model for simulation and design. The model shows a good agreement with the measured current voltage characteristics for the various biases and geometry conditions.
본 논문은 기생 바이폴라 트랜지스터 효과를 고려한 부유기판 에스오아이 n 채널 모스 트랜지스터 모델에 대해 기술한다. 전하평형 개념을 도입하여 부유기관 전위를 유도하였고 앞면게이트 문턱전압, 표면 및 기판의 충격 이온화율, 드레인 포화전압, 모스 및 바이폴라 트랜지스터의 전류식을 새롭게 도출하였다. 유도된 각 전류성분의 역할을 규명함으로써 킹커현상, 출력컨덕턴스의 증가, 항복전압의 감소 등 부유기판 소자의 독특한 동작특성들을 정량적으로 설명할 수 있었다.
부유기판 에스오아이 모스 트랜지스터에 대한 2차원 소자 시뮬레이션을 수행하였다. 부유기판으로 유입되는 여분의 정공은 부유기판 전위을 증가시켜 기생 바이폴라 트랜지스터의 동작을 유기함을 보였다. 드레인 전압이 증가하면서 표면으로부터 점차 기판 쪽으로 전류의 흐름이 증대되며, 그 결과 소자의 항복전압 특성은 기판전압에 의해 결정됨을 보였다. 이들 분석결과로부터 본 모델의 물리적 적정성을 검증할 수 있었다.
사이목스 웨이퍼를 이용하여 에스오아이 씨모스 트랜지스터를 제작, 그 특성을 분석하였다. 본 모델에서 사용하는 각종 소자변수의 추출방법을 제안하였고, 추출된 변수를 사용하여 모델 프로그래밍 및 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 본 논문에서 제시한 모델은 소자동작의 모든 영역에서 측정한 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
