CC BY
58
УДК 621.382.323
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СВЧ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА НА GaAs, СВЯЗАННЫХ С МЕЖДОЛИННЫМИ ПЕРЕХОДАМИ НОСИТЕЛЕЙ
ЗУЕВ С.А., ШАДРИНА.А.
Представляются результаты численного моделирования полевого транзистора на GaAs с помощью модели, основанной на расчете полупроводниковых структур методом крупных частиц с использованием процедуры Монте-Карло [1] для описания процессов рассеяния частиц. Проводились исследования различных режимов работы транзистора и влияния на них механизмов рассеяния.
Введение
В литературе достаточно широко представлены результаты исследований и производства различных арсенид-галлиевых полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ), работающих на частотах 30-40 ГГц [3]. В последнее время, с распространением новых технологий, таких как, например, плазмохимическая [2], получили распространение ПТШ с субмикронными размерами элементов, способные работать на частотах свыше 100 ГГц [5]. Представляется интересным исследование свойств подобных устройств, связанных с механизмами рассеяния носителей в приборах, в нестационарных режимах работы. Такие мощные инструменты моделирования СВЧ устройств, применимые в данном диапазоне, как Microwave Office, Harmonica используют схемотехнические модели представления ПТШ. Следовательно, они ограничены в возможностях анализа прибора в различных нестандартных режимах (высокий потенциал на затворе, волна лавинного пробоя и т.п.), не позволяют оценивать шумовые характеристики транзистора, а также не дают возможности отследить влияние топологии прибора на его физико-электронные свойства.
1. Численная модель
На кафедре радиофизики Таврического национального университета создана модель, позволяющая методом макрочастиц рассчитывать транзисторы на частотах свыше 100 ГГц в квазигидродинамическом приближении с учетом следующих механизмов рассеяния: на ионах примеси, на дефектах решетки, на оптических и акустических фононах, электрон-электронное рассеяние и междолинные переходы носителей [4]. Модель учитывает многодолинную зонную структуру полупроводника с различными законами дисперсии носителей в долинах, а также многотемпературный режим работы среды (помимо локального разогрева среды, различны температуры кристаллической решетки и электронного газа). В схему расчета приборов
заложена возможность учета пробойных явлений, в том числе простого лавинного пробоя и образования волны лавинного пробоя.
2. Результаты моделирования
Проводился расчет n-типа ПТШ на GaAs, работающего на частотах свыше 100 ГГц, с шириной затвора -0,24 мкм и плотностью легирования серой в n+ областях - 2П019 см-3. Геометрия моделируемой области транзистора и самого ПТШ представлена на рис.1.
Рис. 1. Геометрия ПТШ на GaAs (вид сверху) и моделируемой области (вид сбоку)
Прямым результатом численного моделирования этим методом являются функции распределения носителей в области прибора (рис. 2), а их накопление во времени позволяет получить полные статические и динамические характеристики прибора. Данный метод дает возможность производить расчет достаточно малого времени жизни прибора, что обуславливает его применимость для достаточно высокочастотных приборов. Расплывание функции во времени говорит о росте средней скорости носителей, вблизи дна L-долины наблюдается всплеск, обусловленный туннелированием носителей в эту долину. При длинах канала, больших чем расчетная, происходит стабильное образование доменов в приборе, а при данной геометрии домен сформироваться не успевает при стандартном режиме работы, но само начало образования сгустка обуславливает дополнительный шум ПТШ.
о" о“ о" о“ о" о' о* о' о* E, эВ
Рис.2. Изменение функции распределения носителей в ПТШ со временем (прямой на графике обозначено дно L - долины)
Получены входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора (рис.3).
РИ, 2001, № 2
19
Uct, В
а
изт, В
б
Рис.3. Статические характеристики ПТШ на GaAs
При определенных режимах работы (иист=0, UCT=1,5B, изт=-0,5В -ь -0,9В) был обнаружен эффект образования сгустков электронов в области затвор-сток. При этом размер сгустка соизмерим с размерами активной области прибора, что позволяет, варьируя геометрическими параметрами, в частности, расстоянием между затвором и стоком, а также истоком и стоком, подобрать оптимальный режим для образования сгустков и получить генерацию на частотах порядка 140-150 ГГц. Данный режим близок к доменному режиму работы транзистора.
На рис.4 представлены результаты спектрального анализа шума полевого транзистора. Максимум шума приходится на частоты порядка 150 ГГц, в этой области возможна генерация ВЧ сигнала.
Рис. 4. Спектральный состав шума в ПТШ
Нами был рассчитан генератор на частотах около 150 ГГц. Частота может меняться в зависимости от постоянного смещения на стоке в пределах нескольких процентов. Это вызывается изменением траектории пробега пучка носителей.
Заключение
По мнению авторов, описанная модель может широко применяться при расчетах различных приборов с субмикронными размерами элементов. Полученные расчетные данные могут быть полезны при разработке подобных полевых транзисторов. А эффект образования доменов интересен как с точки зрения его использования для генерации сигнала, так и при борьбе с ним как с дополнительным источником шума.
Литература: 1. РеклайтисА.С., МицкявичусР.В. Метод Монте-Карло в физике полупроводников // Новое в жизни, науке, технике. Математика, кибернетика. М.: Знание, 1988. №10. 38с. 2. Коновал В.М., Усталое В.В., Федорович О.А. Плазмохимическая технология в производстве СВЧ устройств с субмикронными размерами элементов. В кн.: 6-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии.” Материалы конференции. Севастополь: Вебер, 1997. С. 288-290 3. КочетковВ.Н., Кузнецов Г.А. Волноводно-интегральные малошумные усилители на ПТШ. В кн.: 6-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Материалы конференции. Севастополь: Вебер, 1997. С. 140-142. 4. Steponas Asmontas, Gradauskas J, Seliuta D, Suziedelis A., Valusis G. Nonequilibrium carriers in inhomogeneous semiconductors as a source for basic physics and applications. Proc. of the International School-Conference for Young Scientists SSPFA’97. Kiev: Institute of semiconductor Physics of NASU, 1997. Р. L1-L12.
Поступила в редколлегию 11.04.2001
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Чурюмов Г.И.
Зуев Сергей Александрович, ассистент кафедры радиофизики Таврического национального университета. Научные интересы: моделирование полупроводниковых приборов СВЧ. Адрес: Украина, 95000, Симферополь, ул .Лермонтова, 13, кв.62, тел.: (0652)230360, (0652)573683.
E-mail: sa_zuev@tnu.crimea.ua
Шадрин Анатолий Александрович, канд. техн. наук, доцент кафедры радиофизики Таврического национального университета. Научные интересы: моделирование вакуумных и твердотельных устройств СВЧ. Адрес: Украина, 95007, Симферополь, ул. Ялтинская, 4.
20
РИ, 2001, № 2
