27、双极晶体管压结效应：应力影响深度剖析

双极晶体管压结效应：应力影响深度剖析

1. 应力对载流子参数的影响

应力对硅中载流子参数的影响显著。在图中可以看到，对于正常单轴应力和纯剪切应力，电子和空穴的迁移率张量元素以及本征载流子浓度都会发生变化。仅对于纯剪切应力，本征浓度的一阶变化消失，即 z44 = p44。

在极高应力（1 - 10 GPa）下，迁移率的变化会达到饱和，而本征载流子浓度则会继续呈指数变化，这可能使饱和电流增加多达 10³ 倍。当压应力超过 10 GPa 时，材料会受损；对于拉应力，损伤可能更早出现（例如在 0.3 GPa 时），这主要取决于表面的光滑程度。

2. 模型在设计中的应用

若已知应力张量和晶体管本征基极中的电流方向，就可以预测压结效应。具体操作步骤如下：
1. 利用相关公式（22.10）计算电阻率的变化。
2. 通过公式（22.8）将电阻率变化转换为电导率变化。
3. 最后利用公式（22.6）和（22.7）将电导率变化转换为饱和电流的变化。

此外，还可以使用这些方程进行优化，选择应力灵敏度最大或最小的方向。不过，应力和电流方向原则上有无数种，可考虑以下常见情况来大幅减少自由度：
- 晶体管通常制作在 {100} 或 {111} 晶向的晶圆上，其他晶向较少见。
- 双极晶体管分为垂直和横向两种，垂直晶体管的本征基极电流垂直于晶圆平面，横向晶体管的本征基极电流则在晶圆平面内。
- 传感器中的晶体管常与悬臂梁对齐，应力通常与基极电流方向纵向或横向。
- 电路中的晶体管通常有固定方向，与晶圆平面平行，沿 <110> 方向排列。
- 应力通常由弯曲或拉伸产生，位于晶圆