ОПрЭКБ лабы / Отчет по работе 07 Использование SYNOPSYS TCAD

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

отчет

по практической работе №7

по дисциплине «Основы проектирования

электронной компонентной базы»

Тема: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SYNOPSYS TCAD

Студент гр.
Преподаватель		Синев А.Е.

Санкт-Петербург

202X

1. Полупроводниковый резистор на полуизолирующей подложке GaAs

В данной лабораторной работе производится моделирование полупроводникового резистора, изготовленного на полуизолирующей подложке из GaAs, которое мы будем рассматривать без учета эффектов генерации и рекомбинации носителей заряда в структуре.

Резистор представляет собой равномерно легированный эпитаксиальный слой GaAs толщиной 0,1 мкм, выращенный на полуизолирующем буферном слое GaAs p-типа с концентрацией 10¹⁴ см–3. Для создания хорошего омического контакта области прилегающие к истоку и стоку легированы до уровня 10¹⁹ см^–3. Для уменьшения геометрических размеров структуры сама полуизолирующая подложка не рассматривается.

Целью моделирования является получение вольт-амперных характеристик резистора, а также расчет распределения напряженности электрического поля в структуре для определения места, где вероятнее всего произойдет электрический пробой структуры.

1.1. Создание нового проекта и задание структуры устройства

Построим в Sentaurus Structure Editor (SDE) модель полупроводникового резистора по параметрам, заданным в методических указаниях. Выполним легирование и зададим расчетную сетку.

1.2. Создание командного файла Sentaurus Device

Создадим командный файл command_resistor.cmd для расчета параметров устройства программой Sentaurus Device. Программа не имеет интерфейса, запускается через терминал: sdevice command_resistor.cmd.

Текст командного файла:

File {

Grid = "resistor_msh.tdr"

Plot = "plot2.tdr"

Current = "current2.plt"

Output = "logfile"

}

Electrode {

{ Name= "source" Voltage=0.0 }

{ Name= "drain" Voltage=0.0}

}

Physics {

Mobility (DopingDependence Enormal)

EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom))

}

Plot {

eDensity hDensity eCurrent hCurrent

Potential SpaceCharge ElectricField

eMobility hMobility eVelocity hVelocity

Doping DonorConcentration AcceptorConcentration

}

Math {

Extrapolate

RelErrControl

}

Solve {

#-initial solution:

Poisson

Coupled { Poisson Electron }

#-ramp gate:

Quasistationary (

InitialStep = 1e-5 MaxStep = 1e-2 MinStep = 1e-9

Goal{ Name = "drain" Voltage= 5 } )

{ Coupled { Poisson Electron } }

}

1.3. Результаты моделирования

Созданные с помощью Sentaurus Device файлы графиков .plt будем воспроизводить в программе SVisual.

Построим график зависимости стокового тока от напряжения «сток-исток» (рис. 1).

Рис. 1. Рассчитанная ВАХ полупроводникового резистора

Из графика видно, что полученная кривая имеет омический участок и участок насыщения, т. е. полностью соответствует ВАХ полупроводникового резистора.

Распределение напряженности электрического поля по структуре отобразим из plot.tdr (рис. 2).

Рис. 2. Расчетное распределение напряженности электрического поля полупроводникового резистора

Построим распределение концентрации электронов (переменная eDensity) вдоль оси Y в центральной области структуры (рис. 3, 4).

Рис. 3. Распределение концентрации электронов в устройстве

Рис. 4. Распределение концентрации электронов в центральной части структуры

1.4. Задания для самостоятельного выполнения

1) С использованием встроенного в SVisual редактора формул, вызываемого по нажатию кнопки New Variable, построим зависимость сопротивления изучаемой структуры от прикладываемого к стоку напряжения (рис. 5).

При расчетах имелось в виду, что проводимость в канале резистора осуществляется только за счет основных носителей, длина канала равна расстоянию между внутренними краями истокового и стокового электродов, величина подвижности носителей равна 300 см²/(В·с), толщина структуры вдоль оси Z = 1 мкм.

На графике мы видим нелинейный участок роста сопротивления при малых напряжениях на стоке.

Рис. 5. Зависимость сопротивления полупроводникового резистора от стокового напряжения

2) Проведем расчет ВАХ резистора, исключив из командного файла модель эффекта насыщения скорости носителей в сильном электрическом поле (HighFieldSaturation).

Сравним вольтамперные характеристики резистора с учетом и без учета этого эффекта (рис. 6)

Дадим физическую интерпретацию механизма влияния данного эффекта на физику работы прибора. ВАХ полупроводникового диода пойдет ниже, если учесть эффект насыщения скорости носителей. В сильном электрическом поле скорость носителей заряда в полупроводнике перестает линейно возрастать с увеличением поля и достигает максимального значения, называемого скоростью насыщения. В результате прямая ветвь ВАХ окажется менее крутой, т. е. будет располагаться ниже.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового резистора с учетом эффекта насыщения скорости носителей (синяя) в сильном эл. поле и без

2. Диод Шоттки

Выполним моделирование диода Шоттки на основе контакта Me – GaAs. Для этого добавим добавления контакт Шоттки на поверхность сконструированного полупроводникового резистора (рис. 7).

Рис. 7. Модель диода Шоттки в программе Sentaurus Device

Целью моделирования является получение прямой и обратной ветвей диодной ВАХ.

2.1. Модификация структуры прибора

Откроем модель в SVisual (рис. 8).

Рис. 8. Модель диода Шоттки в программе Sentaurus Visual

Полученный прибор уже является полевым транзистором с затвором Шоттки, однако в процессе моделирования в настоящем разделе напряжение на стоке и истоке транзистора будет поддерживаться равным нулю, что соответствует так называемому диодному включению транзистора.

2.2. Модификация командного файла Sentaurus Device

Сформируем командные файлы для расчета прямой и обратной ВАХ диода Шоттки. Файл для расчета обратной ветви ВАХ:

File {

Grid = "Shottky3_msh.tdr"

Plot = "plot_frw.tdr"

Current = "current_frw.plt"

Output = "logfile"

}

Electrode {

{ Name= "source" Voltage=0.0 }

{ Name= "drain" Voltage=0.0}

{ Name = "gate" Voltage=0.0 Schottky Barrier=0.7 }

}

Physics {

Mobility (DopingDependence HighFieldSat Enormal)

EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom))

}

Plot {

eDensity hDensity eCurrent hCurrent

Potential SpaceCharge ElectricField

eMobility hMobility eVelocity hVelocity

Doping DonorConcentration AcceptorConcentration

}

Math {

Extrapolate

RelErrControl

}

Solve {

#-initial solution:

Poisson

Coupled { Poisson Electron }

#-ramp gate:

Quasistationary ( InitialStep = 1e-5 MaxStep=1e-2 MinStep = 1e-9

Goal{ Name = "gate" Voltage= 1 } )

{ Coupled { Poisson Electron } }

}

Для построения обратной ветви ВАХ значение конечного напряжения Voltage в секции Solve следует заменить на –1.

Файл для расчета обратной ветви ВАХ:

File {

Grid = "Shottky3_msh.tdr"

Plot = "plot_rev.tdr"

Current = "current_rev.plt"

Output = "logfile"

}

Electrode {

{ Name= "source" Voltage=0.0 }

{ Name= "drain" Voltage=0.0}

{ Name = "gate" Voltage=0.0 Schottky Barrier=0.7 }

}

Physics {

Mobility (DopingDependence HighFieldSat Enormal)

EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom))

}

Plot {

eDensity hDensity eCurrent hCurrent

Potential SpaceCharge ElectricField

eMobility hMobility eVelocity hVelocity

Doping DonorConcentration AcceptorConcentration

}

Math {

Extrapolate

RelErrControl

}

Solve {

#-initial solution:

Poisson

Coupled { Poisson Electron }

#-ramp gate:

Quasistationary ( InitialStep = 1e-5 MaxStep=1e-2 MinStep = 1e-9

Goal{ Name = "gate" Voltage= -1 } )

{ Coupled { Poisson Electron } }

}

2.3. Результаты моделирования

После расчета в SDevice, откроем файлы графиков и совместим ВАХ в одних осях (рис. 9).

Рис. 9. Расчетная ВАХ диода Шоттки

Из графика при увеличении видно, при подаче на диод отрицательного смещения через него протекает небольшой обратный ток со знаком минус.

Ток прямой ветви остается малым до значений прямого напряжения 0,5–0,6 В. После того как прямое напряжение становится больше высоты барьера Шоттки (0,7 В), ток через диод начинает резко возрастать. Так что полученная ВАХ соответствует ВАХ диода.

Для детального рассмотрения области контакта металл – полупроводник с помощью программного модуля SVisual откроем файлы с .tdr c результатами расчета величин, распределенных по структуре (концентраций носителей заряда, плотностей тока, напряженности электрического поля, потенциала и т.д.). Выведем значения переменной eDensity (рис. 10).

Рис. 10. Расчетные концентрации электронов для прямого (слева) и обратного (справа) включения диода

Как видно из рисунков, при отрицательном смещении под контактом затвора gate образовалась область обеднения, где концентрация электронов составляет менее 10⁵ см^–3, тогда как при положительном смещении концентрация основных носителей под контактом примерно равна концентрации легирующей примеси.

2.4. Задания для самостоятельного выполнения

Изучим влияние концентрации легирующей примеси в канале на вид прямой вольтамперной характеристики диодной структуры.

Зададим в командном файле концентрацию примеси вдвое меньше исходного. Получим расчетный график ВАХ диода и совместим его с исходным (рис. 11).

Рис. 9. Расчетные ВАХ диода Шоттки при различающихся в 2 раза концентрациях легирующей примеси в канале

Дадим физическую интерпретацию полученным зависимостям. Уменьшение концентрации легирующей примеси приводит к большей высоте барьера Шоттки и более низкой концентрации носителей заряда, что снижает ток через диод в прямом направлении. Поэтому ВАХ проходит ниже.