ОПрЭКБ лабы / Актуальные методы / 122 Пр ПР_БЧ ОП ЭКБ. ПРАКТИКА 08

Основы проектирования ЭКБ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SYNOPSYS TCAD

3. Полевой транзистор Шоттки на подложке GaAs

Целью этого задания является создание физической модели полевого транзистора Шоттки (ПТШ) на основе арсенида галлия. В ходе расчетов будут получены ВАХ, а также изучены некоторые физические явления, происходящие внутри транзистора.

3.1. Модификация командного файла Sentaurus Device

Для успешного выполнения примера необходимо наличие проекта, созданного в Задании 2, модификация структуры не требуется, изменения будут вноситься только в командный файл SDevice.

Откройте исполнительный файл SDevice для редактирования. Изменений потребует только секция Solve. Для того, чтобы получить семейство выходных ВАХ исследуемого прибора, необходимо модифицировать секцию Solve в соответствии с нижеприведенным фрагментом кода:

Solve {

## initial solution

Poisson

Coupled { Poisson Electron }

Save (FilePrefix = "Vg0_")

## ramp gates to 1, -1, -2 and-3 V

NewCurrentPrefix = "Vg1_"

Quasistationary ( InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "gate" Voltage = 1 }

){ Coupled { Poisson Electron } Plot ( Time = ( 0 ) NoOverwrite ) }

Save (FilePrefix = "Vg1_")

Load(FilePrefix = "Vg0_")

NewCurrentPrefix = "Vg-1_"

Quasistationary ( InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "gate" Voltage = -1 }

){ Coupled { Poisson Electron } } Save (FilePrefix = "Vg-1_")

NewCurrentPrefix = "Vg-2_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "gate" Voltage = -2 }

){ Coupled { Poisson Electron } } Save (FilePrefix = "Vg-2_")

NewCurrentPrefix = "Vg-3_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "gate" Voltage = -3 }

){ Coupled { Poisson Electron } } Save (FilePrefix = "Vg-3_")

## load initial solutions and ramp drain to 5 V Load(FilePrefix = "Vg1_")

Основы проектирования ЭКБ

NewCurrentPrefix = "Vg1_Vd_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "drain" Voltage = 5 }

){ Coupled { Poisson Electron } Plot ( Time = ( 1 ) NoOverwrite ) }

Load(FilePrefix = "Vg0_") NewCurrentPrefix = "Vg0_Vd_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "drain" Voltage = 5 }

){ Coupled { Poisson Electron } Plot ( Time = ( 1 ) NoOverwrite ) }

Load(FilePrefix = "Vg-1_") NewCurrentPrefix = "Vg-1_Vd_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "drain" Voltage = 5 }

){ Coupled { Poisson Electron } Plot ( Time = ( 1 ) NoOverwrite ) }

Load(FilePrefix = "Vg-2_") NewCurrentPrefix = "Vg-2_Vd_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "drain" Voltage = 5 }

){ Coupled { Poisson Electron } Plot ( Time = ( 1 ) NoOverwrite ) }

Load(FilePrefix = "Vg-3_") NewCurrentPrefix = "Vg-3_Vd_"

Quasistationary (InitialStep = 1e-3 MinStep = 1e-4 MaxStep = 2e-2 Goal { Name = "drain" Voltage = 5 }

){ Coupled { Poisson Electron } Plot ( Time = ( 1 ) NoOverwrite ) }

}

В данном примере добавлена серия блоков Quasistationary, которые регламентируют процесс расчета. Результатом исполнения командного файла с вышеописанной модификацией секции Solve является семейство выходных характеристик полевого транзистора с затвором Шоттки, которые сохраняются в файлы с названиями VgX_Vd_current.plt, где X – напряжение на затворе.

Примечание 1: в данном примере команды NewCurrentPrefix, размещенные перед каждым блоком Quasistationary, предназначены для присвоения уникальных префиксов к файлам current.plt, генерируемым в ходе расчета. Сами префиксы уже заданы в качестве аргумента команды NewCurrentPrefix.

При исполнении командного файла с вышеприведенной модификацией секции Solve расчет будет происходить следующим образом. Вначале рассчитывается состояние структуры в отсутствие смещений на электродах, после чего данное состояние сохраняется. Далее следует серия расчетов, в которых напряжение на затворе последовательно изменяется от 0 до 1 В и от 0 до –3 В, при этом стационарные состояния структуры также сохраняются по достижении напряжения на затворе 1 В, –1 В, –2 В и –3 В. За описанным блоком расчетов следует последовательный расчет выходных характеристик транзистора, при котором напряжение на стоке изменяется от 0 до 5 В, при этом состояния структуры при нулевом смещении на стоке и различных смещениях на затворе используются в качестве начальных приближений.

Основы проектирования ЭКБ

Помимо файлов, с выходными ВАХ транзистора при различных напряжениях на затворе по итогу расчета будет также сгенерирована серия выходных файлов с названиями plotX_0000_des.tdr, где параметр X изменяется от 1 до 5, что соответствует номеру блока Quasistationary в части секции Solve, соответствующей расчету стоковых характеристик.

Примечание 2: файл plot0_0000_des.tdr соответствует полному отсутствию смещений на электродах структуры.

3.2. Результаты моделирования

Для построения семейства выходных ВАХ смоделированного транзистора откройте модуль Svisual, выполните команду Open меню File, и в открывшемся окне загрузки данных выделите файлы VgX_Vd_current.plt, где параметр X соответствует напряжению на затворе. Постройте зависимости токов стока от напряжения на стоке для всех потенциалов на затворе (рис. 6.5).

Рисунок 6.5 – Окно модуля SVisual c семейством расчетных ВАХ полевого транзистора с затвором Шоттки

Как видно из графика, ток стока модулируется напряжением на затворе, т.е. модель транзистора адекватна. Единственным исключением является ветвь ВАХ при напряжении на затворе, равном 1 В. Вид этой ветви объясняется тем, что при нулевом напряжении на стоке и достаточно большом смещении на затворе относительно

Основы проектирования ЭКБ

стока через контакт Шоттки начинает течь большой прямой ток (соответственно такой же ток начинает течь через сток, только в обратном направлении, что и обусловливает его отрицательный знак).

По мере того как напряжение на стоке транзистора возрастает, разность напряжений между затвором и стоком начинает уменьшаться и при определенном значении этой разности ток стока становится положительным. Данный режим работы транзистора (когда через затвор протекает большой ток) является нежелательным, поскольку приводит к быстрой деградации параметров транзистора и даже его физическому повреждению. Таким образом, из результатов расчетов можно сделать вывод, что рассматриваемый транзистор может работать при напряжениях на затворе от 0 до –3 В.

Чтобы визуализировать некоторые физические параметры структуры и рассмотреть ряд физических процессов, откройте в программном модуле SVisual фай-

лы результатов расчета plot1_0000_des.tdr – plot5_0000_des.tdr. В открытых файлах содержатся «состояния» структуры (информация о распределениях потенциала, напряженности электрического поля, плотностей токов и прочих распределенных величин) при различных напряжениях на затворе в точке VDRAIN = 5 В.

В поле Scalars выберите переменную ElectricField для отображения (рис. 6.6). Как видно из рисунка, наибольшее значение напряженности электрического поля получается при максимальном отрицательном смещении на затворе (VGATE = – 3 В), что вполне объяснимо, так как разность напряжений между затвором и стоком в этом случае будет максимальной (8 В). Нетрудно убедиться, что, в отличие от полупроводникового резистора, максимальная напряженность электрического поля расположена не возле стока, а возле стокового края затвора, т.е. в случае слишком высоких стоковых напряжений пробой транзистора будет происходить именно в этом месте.

Далее рассмотрим переменную eCurrentDensity, которая хранит значения плотности тока электронов в каждой точке структуры (рис. 6.7). Из рисунка наглядно видно, как происходит закрытие транзистора при увеличении отрицательного потенциала на затворе. Обратите внимание на форму обедненной области: при небольших отрицательных смещениях на затворе обедненная область имеет утолщение на стоковом крае затвора.

При увеличении отрицательного смещения на затворе форма обедненной области изменяется и при закрытии транзистора ООЗ становится практически симметричной. При этом ток основных носителей (электронов) перестает быть локализован только в канале транзистора, но начинает протекать и в слаболегированной подложке.

Основы проектирования ЭКБ

Рисунок 6.6 – Расчетные распределения напряженности электрического поля

Основы проектирования ЭКБ

Рисунок 6.7 – Расчетные распределения плотности тока электронов

3.3. Задания для самостоятельного выполнения

1)Рассчитать управляющую характеристику изучаемого транзистора при напряжении на стоке VDRAIN = 5 В. Для этого следует самостоятельно модифицировать секцию Solve так, чтобы транзистор был сначала выведен в рабочую точку (VDRAIN = 5 В) при нулевом напряжении на затворе, а затем напряжение на затворе изменялось от VGATE = 0 В до напряжения VGATE = – 3 В. При расчете управляющей характеристики выходному файлу следует присвоить префикс “transfer_curve_”.

2)Продемонстрировать влияние положения затвора относительно истока на вид управляющей характеристики исследуемого ПТШ. При расчетах использовать величину зазора между правым краем истока и левым краем затвора 0.5 мкм

и1 мкм при длине самого затвора 0.5 мкм.

3)Продемонстрировать влияние длины затвора на вид управляющей характеристики исследуемого ПТШ. При варьировании длины затвора использовать значения длин: 0.1 мкм, 0.25 мкм, 0.75 мкм, 1 мкм.

Основы проектирования ЭКБ

4.3.2В поле Placement Name укажите ConstantProfilePlacement_AlGaAs_Doped. В

секции Placement Type установите флажок напротив пункта Region и выберите ранее созданный регион с названием AlGaAs_Doped. В поле Name секции Constant Profile Definition задайте имя AlGaAs_Doped_Region. В выпадающем меню Species выберите ArsenicActiveConcentration. В поле Concentration укажите 1e18. После задания всех параметров нажмите кнопку Add Placement в левом нижнем углу окна.

4.3.3Проделайте самостоятельно аналогичную процедуру задания профиля для региона AlGaAs_Substrate следуя вышеприведенному соответствию имен про-

филя имени созданного региона. В качестве легирующей примеси используйте также ArsenicActiveConcentration с концентрацией 1e14. Профили легирования для областей, примыкающих к стоку и истоку также задайте самостоятельно.

4.4.1 Самостоятельно задайте параметры расчетной сетки аналогично методу, описанному в п. 1.4.1 – 1.4.3 Задания 1. При задании параметров сетки для ре-

гионов AlGaAs_Doped, GaAs_Intrinsic и AlGaAs_Substrate, в секции Placement Type окна

Refinement Specification следует ссылаться на объекты класса Region. При задании максимальных и минимальных шагов в каждом из направлений следует руководствоваться принципом задания в каждой расчетной области минимум 10 узлов сетки в направлениях осей X и Y.

4.4.2Самостоятельно задайте электроды в структуре по п. 1.5.1 – 1.5.3

4.4.3Сгенерируйте файл сетки и сохраните структуру.

4.2. Модификация командного файла SDevice

Откройте для редактирования командный файл SDevice, созданный для Задания 3. После секции Physics добавьте следующий фрагмент кода:

Physics (Material=«AlGaAs») { MoleFraction(xFraction=0.26 Grading=0)

}

Ввышеприведенном фрагменте кода описана секция Physics, определенная только для материала AlGaAs. В ней задана мольная доля алюминия в тройном растворе AlGaAs, исходя из которой модулем SDevice рассчитывается ряд основных параметров полупроводника (например, ширина запрещенной зоны и диэлектрическая проницаемость).

Всекцию Plot необходимо добавить переменные ValenceBandEnergy и ConductionBandEnergy.

Сохраните командный файл и запустите расчет. Учитывая, что расчет выходных ВАХ организован тем же образом, что и в Задании 3, имена выходных файлов будут совпадать.

4.3. Результаты моделирования

Постройте семейство выходных ВАХ моделируемого транзистора (рис. 6.8).

Основы проектирования ЭКБ

Если сравнить полученные характеристики с ВАХ ПТШ, нетрудно заметить, что расстояние между ветвями при 0 и –1 В на затворе HEMT гораздо больше. Это означает, что при одном и том же изменении напряжения на затворе изменение тока стока GaAs HEMT гораздо больше, чем у GaAs ПТШ, т.е. крутизна характеристики транзистора с гетеропереходом существенно выше, чем у обычного транзистора с легированным каналом. Как видно из рисунка 6.8, отсечка HEMT наступает при напряжении на затворе –2 В.

Рисунок 6.8 – Расчетные ВАХ GaAs HEMT

Для того чтобы построить зонные диаграммы, откройте в программном мо-

дуле SVisual файл plot0_0000_des.tdr.

Для визуализации того, как распределенные величины изменяются в тех или иных сечениях структуры требуется проделать следующее. По нажатию кнопки Cut X меню Tools, сделайте срез по оси X под затвором в точке X = 1,5 мкм, после чего в модуле SVisual будет создан новый график, отображающий зависимость от координаты той величины, которая была активна при создании среза.

Для отображения зонной диаграммы и распределения концентрации электронов вдоль сделанного сечения выберите в левом окне имена переменных

ConductionBandEnergy, ValenceBandEnergy и eDensity, держа нажатой клавишу CTRL.

Основы проектирования ЭКБ

Во вкладке Curves выбрать переменную eDensity и изменить в ее свойствах ось отображения с левой оси Y на правую ось Y2 (см. выпадающее меню, расположенное справа от поля Name, по умолчанию в указанном меню выбран пункт Left, что необходимо изменить на пункт Right).

Отобразите ось Y2 в логарифмическом масштабе и инструментом Zoom (меню View) добейтесь вида полученного графика аналогичного приведенному на рис. 6.9.

Рисунок 6.9 – Энергетические зонные диаграммы

Из рисунка видно, что минимальная энергия зоны проводимости в области квантовой ямы (примерно 0,05 мкм вглубь структуры, т.е. там, где начинается слой GaAs) лежит ниже уровня Ферми (0 эВ). Именно в этой области образуется двумерный электронный газ, что видно из распределения плотности электронов. Максимум плотности приходится на дно квантовой ямы в зоне проводимости.

4.4. Задания для самостоятельного выполнения

Рассчитать управляющую характеристику изучаемого HEMT-транзистора при стоковом напряжении VDRAIN = 5 В и сравнить ее с аналогичной характеристикой исходной структуры ПТШ. Оценить крутизну управляющих характеристик обоих транзисторов. В выводах к работе указать, какой из транзисторов обладает более высокой эффективностью управления и объяснить, почему.