ОБЪЯСНЕНИЕ АНОМАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ ЗАТВОР-СТОК ОТ ПОТЕНЦИАЛА ЗАТВОРА В СУБМИКРОННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ

February 13, 2013 by admin Комментировать »

Бувайлик Е. В., Мартынов Я. Б., Погорелова Э. В. Федеральное государственное унитарное предприятие «НПП «Исток» Вокзальная, 2а, г. Фрязино, 141190, Россия факс: (495) 4658686, e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Аннотация – Измерения напряжения пробоя затвор-сток в субмикронных полевых транзисторах с затвором Шоттки на GaAS, а также в гетероструктур ных ПТШ выявили зависимость этого напряжения от потенциала затвора, что противоречит как простейшей теории, так и проводимым ранее подобным измерениям на кремниевых ПТШ. В настоящей работе это противоречие разъясняется с помощью численного моделирования двух типов полевых транзисторов.

I.                                       Введение

Величина напряжения пробоя между электродами затвора и стока (Узе) ограничивает максимальную вьюокочастотную мощность, которую МОЖНО получить ОТ транзистора с приемлемой эффективностью

[1]     . Поэтому ПОНЯТНО внимание, уделяемое измерению ЭТОЙ величины. Измерения, проводимые для GaAs полевых транзисторов с субмикронными затворами Шоттки (ПТШ), В отличие от ПТШ, изготовленных на Si, дают необычные результаты.

II.                      Основные результаты

Дело В ТОМ, ЧТО, исходя из предположения о независимости напряжения Узе ОТ потенциала затвора, вольтамперные характеристики транзистора должны выглядеть, как показано на рис.1.

Рис. 1. Типичные ВАХ ПТШ.

Fig. 1. Typical MESFET voltage-current characteristics

Напряжение исток-сток, при котором наблюдается резкое увеличение тока затвора, т. е. пробой промежутка затвор-сток, должно уменьшаться по мере роста абсолютной величины потенциала затвора. Подобное естественное поведение и наблюдалось всегда для кремниевых ПТШ. Измеренные ВАХ субмикронного GaAs ПТШ изображены на рис.2 [2]. Из рис.2 видно, что резкий рост тока ИСТОК-СТОК наблюдается при напряжении ИСТОК- СТОК (Уис), равном 7 В для ВАХ, измеренной при потенциале затвора (LI3), равном -1 В; при Уис = 14 В для Уз = -2 В; при Уис = 17 В для Уз = -3 В. Если связать ЭТО резкое увеличение тока исток-сток с появлением дополнительного тока в цепи затвор- сток, Т. е. с пробоем промежутка затвор-сток, что обычно И делается, то видно, что напряжение пробоя ЭТОГО промежутка зависит от потенциала затвора и изменяется от 7 В при Уз = -1 В до 17 В при Уз = -3 В.

Для ТОГО, чтобы ПОНЯТЬ процессы, приводящие к появлению СТОЛЬ необычной зависимости напряжения пробоя затвор-сток, было проведено численное моделирование ПТШ с помощью уравнений квази- гидродинамической модели (КГМ) [3]. Для этого использовалась программа TREADA, основанная на разностной схеме [4] и позволяющая получать численные решения уравнений КГМ для двух типов носителей (электронов и дырок) и транзисторов, содержащих несколько разнородных материалов (гете- роструктурных транзисторов). Уравнения КГМ позволяют также учесть всплеск дрейфовой скорости электронов, отчетливо влияющий на рассчитываемые характеристики субмикронных GaAs транзисторов [6]. Скорость генерации электронно-дырочных пар задавалась в виде, предложенном в работе [7].

Рис. 2. Измеренные ВАХ субмикронного GaAs ПТШ.

Fig. 2. Submicron CaAs MESFET measured voltage- current characteristics

Ha рис.3(а, 6) приведены рассчитанные ΒΑΧ го- моструктурного ПТШ на арсениде галлия с длиной затвора Сз= 0.5 мкм, толщиной сильнолегированного СЛОЯ А=0.1 мкм, концентрацией доноров в нем Nd=1.7*10^^CM·^. На рис.4 (а, б) приведены рассчитанные ВАХ гетероструктурного ПТШ на гетеропаре GaAs – Alo.3Gao.7As с ДЛИНОЙ затвора L3= 0.5 мкм. Ширина затвора обоих транзисторов W =1мм.

Рис. 3. ВАХ стока (а) и затвора (б), рассчитанные для обычного MESFET.

Fig. 3. MESFET drain (a) and gate (b) simulated voltage- current characteristics Определим напряжение пробоя затвора (точнее промежутка затвор-сток), как это обычно делается при экспериментальных измерениях. Будем считать, ЧТО В модельном транзисторе начался пробой затвора, если через него течет ток -10 мА/тт.

Сравнивая затворные и стоковые ВАХ гомострук- турного и гетерострукгурного транзисторов, видим, что определенное таким образом напряжение пробоя затвора в зависимости от потенциала затвора ведет себя качественно одинаково для обоих типов ПТШ. В полном соответствии с экспериментом, напряжение пробоя промежутка затвор-сток сначала растет с ростом абсолютной величины потенциала затвора. Однако затем, при достижении некоторого критического значения, LI3 либо практически перестает меняться в соответствии с простейшей теорией (рис.4), либо сначала падает, а затем перестает меняться (рис.З). Даже характер зависимости тока затвора от напряжения исток-сток до и после достижения критического значения LI3 (Узкр) разный: более плавный до достижения Узкр и резкий после достижения Узкр.

Рис. 4. ВАХ стока (а) и затвора (б), рассчитанные для гетероструктурного транзистора.

Fig. 4. HFET drain (а) and gate (b) calculated voltage- current characteristics

III.                                       Выводы

Проведенные расчеты показали, что хотя, как и следовало ожидать, ток, текущий через затвор, образован дырками, распределение его плотности вдоль этого электрода сильно зависит от величины U3. При |из|<|изкр| плотность тока максимальна у ис- токового края затвора. При |из|>|изкр| плотность тока максимальна у стокового края затвора.

В первом случае источник рождающихся дырок расположен в домене сильного электрического поля, появляющегося в подложке под затвором и достигающего стоковой сильнолегированной области. Плотность источников максимальна в части домена у стока, и рожденные здесь дырки увлекаются электрическим полем и„с в подложку. Судьба попавших в подложку дырок различна. Часть их (большая) накапливается в подложке у истока и рекомбинирует с выходящими из истока электронами. Такой ток называется лавинно-инжекционным [8,9]. Другая часть дырок перехватывается отрицательным потенциалом затвора, создавая максимум плотности тока у истокового края затвора. Таким образом, при |из| < |изкр| затвор ещё не пробит, созданные потенциалом затвора поля ещё не достаточно велики, чтобы ток дырок стал заметный. Измеряемый в этой области значений |из| ток затвора – это перехваченный ток лавинной инжекции. Известно, что домен сильного поля образуется движущимися от истока к стоку электронами [10]. Его размер вдоль линии тока тем меньше, чем больше ток С другой стороны, почти вся приложенная между истоком и стоком разность потенциалов падает на домене. Поэтому с ростом отрицательного потенциала затвора ток через домен уменьшается, а линейный размер последнего растет. Таким образом, та же плотность источников дырок и, следовательно, величина затворного тока достигается при большей разности потенциалов исток-сток, что и приводит к кажущемуся росту пробивного напряжения промежутка за- твор-сток Когда отрицательный потенциал затвора становится достаточно большим (|из|>|изкр|), велики созданные потенциалом затвора поля, и именно они порождают весь затворный ток Максимум плотности источников дырок, порожденных ударной ионизацией, совпадает с максимумом электрического поля, который в этом режиме расположен у стокового края затвора. Домен сильного поля либо вовсе отсутствует, либо сильно подавлен потенциалом затвора. По мере того как домен исчезает, пропадает и зависимость пробивного напряжения промежутка затвор-сток от потенциала затвора. Таким образом, простейшая теория пробоя начинает работать и для субмикронного ПТШ на арсениде галлия при |из|»|изкр|.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04- 02-17177)

IV.                           Список литературы

[1]  Е. В. Бувайлик, Я. Б. Мартынов, Э. В. Погорелова. Исследование физических механизмов, ограничивающих максимальную мощность и эффективность полевых транзисторов с барьером Шоттки//Радиотехника, т.4, 2004, № 2

[2]  М. Fukuta, Т. MImura. 4-GHz 15-W Rover GaAs MESFET //IEEE Trans. Electron. Dev., 1978, v. ED-25, N6, p.559.

[3]  K. Blotekjaer Transport Equations for Eletrons in Two-Velley Semiconductors//IEEE Trans. El. Dev.1970, v. ED-17, N1, p.38.

[4]  Я Б. Мартынов. Специальный вид граничных условий для системы уравнений низкотемпературной полупроводниковой плазмы. ЖВМ и МФ, 1999, № 2, с.309-314.

[5]  J. G. Ruch. Electron Dinamics in Short Chanel Field-Effect Transistors// IEEE Trans. El. Dev. 1972, v. ED-19, N 5, p.652- 654.

[6]  A. A. Кальфа, A. Б. Пашковский, A. C. Тагер. Исследование вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с субмикронным затвором//Электр. Техн.

Сер.1 Электроника СВЧ, 1984, В.4 (364). С.27-30.

[7]  Е. В. Бувайлик, Я. Б. Мартынов, Э. В. Погорелова. Модель лавинного пробоя, применимая в сильно неоднородных электрических полях.//Радиотехника, т.З, 2006, с.51- 53.

[8]  N. А. Kozlov, У. В. Martynov, V. F. SInkevltch, А. S. Тадег,

V. F. Vashchenko. Negative Differential Conductivity and Isothermal Drain Breakdown of GaAs MESFETs. IEEE Trans. Electron. Dev., 1996, v. ED-43,№ 4, p. 513-518.

[9]  E. B. Бувайлик, Я. Б. Мартынов, Э. В. Погорелова. Лавин- но-пролетная неустойчивость и снижение пробивного напряжения слоистых полупроводниковых структур. // Тезисы докладов «КрыМиКо 2004», стр. 166-167. Севастополь.

[10]L. F. Eastman, S. Tllwah and М. S. Shur. Design criteria for GaAs MESFETs related to stationary high field domains //Solid State Electronics, 1980, V. 23, pp.383-389.

EXPLANATION OF UNUSUAL DEPENDENCE OF GATE-DRAIN BREAKDOWN VOLTAGE ON GATE POTENTIAL IN SUBMICRON MESFETS

Buvaylik E. V., Martynov Y. B., Pogorelova E. W. FSUE RPC «Istok»

Vokzalnaya, 2a, Fryazino, 141190, Russia Ph.: (495) 4658620, e-mail: istkor@elnet.mskru

Gate-drain breakdown voltage measurements for submicron MESFETs and HFETs reveal the dependence of this voltage on gate potential. This fact conflicts with the simple theory and with the same measurements carried out for silicon MESFETs. We attempt to overcome this conflict using MESFET, HFET numerical simulation.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты