9201_Рауан_Lab_syn

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Основы проектирования электронной компонентной базы»

Тема: «: «Определение Sinopsys TCAD»

Студент гр. 9201		Рауан М.
Преподаватель		Шевченко С.А.

Санкт-Петербург

2022

1. Построим полупроводниковый резистор на полуизолирующей подложке GaAs

Рисунок 1 – Построенная структура в TCAD

Используем командный файл:

Рисунок 2 – Листинг командного файла

Рисунок 3 – ВАХ полупроводникового резистора

Из рисунка 3 можно сделать вывод, что у полупроводникового резистора имеется 2 участка: линейный и насыщения.

При увеличении напряженности электрического поля увеличивается электронная температура, а с увеличением электронной температуры подвижность падает, так как время релаксации импульса уменьшается из-за более частых соударений частиц.

Зависимость дрейфовой скорости от подвижности и напряженности:

Рисунок 4 – ПСХ кремния и GaAs

Из рисунка 4 видно, что после определенного значения напряженности электрического поля скорость будет неизменной ( ). В командном файле мы не учитываем ОДП, поэтому характеристика будет как у кремния.

Рисунок 5 – Расчетное распределение напряженности электрического поля

Из рисунка 5 можно увидеть, что более сильная напряженность электрического поля вызывает пробой структуры. Электрический пробой может быть лавинным или туннельным.

Рисунок 6 – Распределение концентрации в структуре и по сечению в середине по оси Y

Рисунок 7 – Сопротивление структуры с эффектом насыщения носителей заряда и без него

По рисунку 7 видно, что сопротивлении с учетом эффекта насыщения скорости носителей линейно растет с увеличением напряжения на стоке. Подвижность носителей уменьшается за счет роста электронной температуры. Без учета этого эффекта подвижность носителей остается неизменной, то есть сопротивление остается постоянным и ток будет линейно расти и не будет иметь область насыщения, это видно по рисунку 8

Рисунок 8 - ВАХ с эффектом насыщения носителей заряда в структуре и без его учета

2. Диод Шоттки на подложке GaAs:

Рисунок 9 – Структура диода Шоттки на подложке GaAs

Рисунок 10 – Прямая и обратная ВАХ диода Шоттки

Из рисунка 10 видно, что ток остается малым до значений прямого напряжения 0,5–0,6 В. Это значение называют барьером Шоттки – когда при условии, что работа выхода полупроводника будет меньше, чем у металла, и электроны из полупроводника n типа переходят в металл. После того как прямое напряжение становится больше высоты барьера Шоттки, ток через диод начинает резко возрастать. Полученная ВАХ полностью соответствует ВАХ диода Шоттки.

Рисунок 11 – Распределение концентраций при прямом включении и обратном

При прямом включении концентрация под затвором равна концентрации легированию в канале. При обратном включении под затвором образуется ОПЗ происходит из-за приложенного напряжения, основные подвижные носители (в нашем случае электроны) отталкиваются от затвора, так как имеют одноименный знак, а неосновные подвижные носители (дырки) притягиваются к затвору и происходит рекомбинация.

Рисунок 14 – ВАХ при прямом включении при разном легировании канала

Из рисунка 14 можно сделать вывод, что концентрация напрямую влияет на ВАХ. Чем больше у нас будет концентрация доноров в канале, тем большее значение будет принимать ток:

где – концентрация электронов на поверхности полупроводника, ; равновесная концентрация электронов, при полной ионизации примеси; тепловая скорость электронов, , эффективная масса электрона.

Из первого выражения получаем, что плотность тока насыщения зависит от концентрации доноров:

где S – площадь, тепловой потенциал.

Формула тока показывает связь между током и плотностью тока насыщения.

3. ПТШ на подложке GaAs

Рисунок 15 – Полевой транзистор Шоттки на подложке GaAs

Рисунок 16 – Прямая ветвь ПТШ

Рисунок 16 можно объяснить тем, что, когда мы подаём на затвор отрицательное напряжение, будет появляться обедненная область и чем больше это отрицательное напряжение, тем более узкий будет канал и току будет все труднее проходить. Останется критически малый канал, меньше него уже некуда, и благодаря нему появляется насыщение.

Однако при напряжении на затворе, равном 1 В, через контакт Шоттки начинает течь очень большой прямой ток при нулевом напряжении на стоке и большом смещении на затворе. При возрастании напряжения на стоке, уменьшается разность напряжений между затвором и стоком, и ток стока может становиться положительным

Дно такой режим работы транзистора нежелателен в использовании, поскольку приводит к быстрой деградации структуры. Таким образом, из результатов расчетов можно сделать вывод, что рассматриваемый транзистор может работать при напряжениях на затворе от 0 до -3 В.

Рисунок 17 – Распределение напряженности электрического поля при U_D = 5 В, U_G = 1,0,-1,-2,-3 В

Рисунок 18 – Плотность тока электронов при U_D = 5 В, U_G=1,0,-1,-2,-3 В

По рисунку 19 видно, что чем меньше напряжение на затворе, тем обедненная область будет больше, при U_G = -3В ОПЗ перекрывает канал, поэтому на рисунке 16 мы видим лишь насыщение. Так же можно заметить то, что обедненная область вытянута в сторону стока.

Рисунок 19 – Управляющая характеристика ПТШ

На рисунке 19 видно, что при уменьшении напряжения затвора, ток стока уменьшается, объясняется тем, что ОПЗ увеличивается при увеличении обратного напряжения на затворе. Также можно сказать, что напряжение отсечки

Рисунок 20 – Управляющая характеристика при разном расположении затвора

По рисунку 20 можно сделать вывод, что наибольший ток стока будет, когда затвор расположен в центре структуры. Но полученные данные не верны. На примере триода можно понять, как управляющая сетка влияет на вид управляющей характеристики (в нашем случае положение затвора относительно стока).

Рисунок 21 – Триод

Чем ближе располагаем сетку к катоду, тем большее воздействие электрического поля управляющей сетки. Получаем, что чем ближе сетка находится к катоду, тем U_з меньше на анодно-сеточной характеристике.

Рисунок 22 – Анодно-сеточная характеристика триода

Проведя аналогию с триодом можно понять, что чем ближе затвор находится к истоку, тем управляющая характеристика будет ниже. То есть самой высокой зависимостью должно быть при 1 мкм дальше 0,75 мкм и 0,5 мкм.

Рисунок 23 –Управляющая характеристика при разной длине затвора

По рисунку 23 можем сделать вывод, что чем канал шире, тем меньшее напряжение понадобиться, чтобы ОПЗ сомкнул канал. Можно объяснить тем, что при увеличении длины затвора обедненная область будет так же расти.

4. HEMT транзистор

Рисунок 24 – Структура HEMT

Рисунок 25 – ВАХ HEMT

Главной характеристикой для усилителей является крутизна, она показывает, как меняется ток стока при изменении на управляющем затворе. У HEMT транзистора крутизна выше, чем у ПТШ. , так как в HEMT более высокая подвижность (причиной может быть, к примеру, хорошее соответствие кристаллических решеток GaAs и AlGaAs в гетеропереходе и, соответственно, низкая плотность поверхностных состояний и дефектов) и скорость насыщения, и в HEMT при изменении напряжения на затворе не изменяется толщина канала.

Рисунок 26 – Зонная диаграмма HEMT

Из рисунка 32 можно увидеть минимальная энергия зона проводимости начинается GaAs y = 0.05 мкм именно тут образуется 2D газ. Подтвердить это можно, посмотрев на распределение плотности электронов в потенциальной яме будет самая большая плотность.

Рисунок 27 – Управляющая характеристика транзистора с барьером Шоттки и HEMT

На рисунке 33 можно увидеть, что управляющая характеристика для HEMT имеет более крутой характер в сравнении с транзистором с барьером Шоттки. В HEMT затвором изменяем количеством электронов, переходящих из высоколегированной области в низколегированную, в транзисторе с барьером Шоттки изменяем ширину канала.

Вывод: В ходе данной лабораторной работы был изучен synopsys tcad. Про моделированные следующие элементы:

1) Резистор на основе GaAs

2) Диод Шоттки

3) Полевой транзистор с барьером Шоттки на подложке GaAs

4) AlGaAs/GaAs транзистор