Двумерное моделирование транзисторов в TCAD №3740

31

Следует отметить, что в реальной структуре n+-область под коллекторным контактом создается эмиттерной диффузией (ЭД), а глубина разделительной диффузии (РД) должна быть больше толщины эпитаксиальной пленки d. Расстояния от коллекторного контакта до базовой диффузии (БД) и от БД до РД должны быть увеличены, так как диффузии идут навстречу друг другу от краев своих окон. В нашем примере для предотвращения смыкания p–n-переходов глубины эмиттерной диффузии YE и базовой диффузии YC не должны превышать соответственно 0,2 и 0,4 мкм, если толщина эпитаксиальной пленки коллектора d порядка 1 мкм. При выбранной длине эмиттера 1 мкм и длинах электродов около 0,5 мкм общий размер структуры по X составит не менее 5 мкм.

Моделирование последней, самой полной структуры потребует достаточно большого числа узлов сетки по осям Х и Y. Очевидно, что размеры выделяемой области моделирования каждый раз будут определяться свойствами конкретной задачи.

На рис. 3.12 показаны профили распределения донорной и акцепторной примесей под эмиттерным переходом.

32

Рис. 3.12. Профили распределения примесей под эмиттерным переходом БТ

Первый, эмиттерный, переход возникает в точке YE, когда концентрация доноров, диффундирующих в глубину из точки с NEO, уменьшается до величины NE, равной концентрации акцепторов на той же глубине:

Во втором, коллекторном, переходе имеет место равенство концентраций

Y 2

NBO exp B NC , (3.8)

L2BY

т.е. на глубине YB концентрация акцепторов из диффузионного p-слоя базы равна по модулю концентрации доноров NC в эпитаксиальной пленке коллектора.

Скрытый слой (Buried layer, BL) тоже имеет гауссово распределение примесей с максимальной концентрацией на границе резкого p–n-перехода между постоянными концентрациями доноров эпитаксиальной пленки NC и акцепторов подложки NS (Substrate, S).

33

На рис. 3.13 представлен фрагмент окна MicroTec с папкой Analytical doping data , где устанавливаются концентрации коллектора, скрытого слоя и базовой диффузии и соответствующий фрагмент командного файла inp с комментариями.

#DOP:

Эпитаксиальный слой коллектора:

DOPA:XLFT=0,XRGT=1,YTOP=0,YBOT=2,DOP=1e+16,ALX=.05,ALY=.07

;

Скрытый слой

DOPA:XLFT=0,XRGT=1,YTOP=2,YBOT=2,DOP=1e+19,ALX=0.1,ALY=0.1

;

Базовая диффузия:

DOPA:XLFT=0,XRGT=1,YTOP=0,YBOT=0, DOP=-2e+18,ALX=0.035, ALY=0.105

Рис.3.13. Окно MicroTec и текст командного файла

34

тельно. Обычно LХ = LY = (0.3 – 0.5)YJ служат достаточно хорошими приближениями. Окончательную глубину залегания эмиттерного перехода следует «подстроить» с целью получения максимально возможного коэффициента передачи тока в схеме ОЭ. Отступление от заданных исходных данных будет вашим собственным подбором эммиттера, оптимальным с точки зрения коэффициента передачи тока.

3.2.2. Определение электрофизических параметров БТ по рассчитанным ВАХ

Коэффициенты передачи токов эмиттера и базы ( и B)

Директива

IVDA: NUMC=3,NPNT=10,VSTE=0.05,V1=3,V2= 0,V3=0.4

создает массив точек ВАХ, обрабатываемый графической программой

2D Output.

Нормальный коэффициент передачи N удобно рассчитать с использованием выражений

Для определения BN следует использовать функцию деления « / » при выводе ВАХ в SibGraf 2D (рис. 3.15). При выводе входной ВАХ, т.е. зависимости IB (UBE), следует отложить по оси Х напряжение UBE, а по оси Y – величину IС/IB . Можно вывести на график зависимость BN(IE),если по оси Х откладывать IE, (рис. 3.16).

Рис. 3.15. Окно в 2D Output с данными ВАХ

36

Следует иметь в виду, что статический коэффициент передачи BN устремляется к бесконечности при переходе базового тока через нуль.

10

0

Рис.3.16. Зависимость BN от напряжения UBE, построенная по данным рис. 3.15

Инверсный коэффициент передачи и коэффициент передачи в подложку определяются аналогично для инверсного включения транзистора, когда эмиттерный переход включен в обратном направлении (UEC = + 1B), а коллекторный – в прямом, UBC = +0,7 B, UC = 0, т. е.

При выполнении задания следует глубину эмиттерного перехода подобрать такой, чтобы коэффициент передачи тока BN находился в пределах от 20 до 80.

Напряжение Эрли (UA). При увеличении напряжения на коллекторном переходе UC в соответствии с рис. 3.16 ширина базы W будет уменьшаться. Этот эффект называется эффектом Эрли, и его влияние на ВАХ биполярного транзистора принято описывать с помощью специального параметра – напряжения Эрли UA (рис. 3.17).

Рис.3.17. Расположение границ ЭП и КП и границ ОПЗ в NPN БТ

Напряжение Эрли позволяет достаточно просто выразить крутизну выходных ВАХ, биполярного транзистора на участке насыщения. Согласно анализу, проведенному в [9, 13, 25, 33], для схемы с общей базой крутизна есть

а в схеме с общим эмиттером

В программе SemSim выходная проводимость gC* выводится в виде

зависимости GCC (UC) после расчета выходной характеристики IC(UC). Напряжение Эрли можно определить на участке примерно постоянной величины GCC:

а напряжение смыкания выразить через напряжение Эрли:

U 2

UTRO U A . (3.15)

C

39

На рис. 3.19 четко видно, что коллекторный ток линейно возрастает от 37,8 мкА при UC = 2 В до 48,2 мкА при UC = 8 В, что соответ-

ствует выходной проводимости gC 1,73 мкСм.

×10–5

5

4

3

IС

2

1

0

Рис.3.19. Выходная ВАХ биполярного транзистора

Теперь на основании (3.14) и (3.15) из выходных характеристик можно определить напряжение Эрли и напряжение смыкания.

3.3.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

3.3.1.Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом

При описании структур полевых транзисторов в этом разделе и далее используется система обозначений, принятая в [10].

Обычная структура полевого n-канального транзистора с управляющим p–n-переходом (ПТУП) представлена на рис. 3.20.

Электроды транзистора: S – исток, D – сток, G –– затвор. Толщина эпитаксиальной пленки обозначена как d, а глубина залегания управляющего p–n-перехода затвора – YG.

40