Введение к работе
Актуальность темы. 3 настоящее время в связи с развитием интегральной электроники СВЧ диапазона становится актуальним изучение особенностей распространения и взаимодействия волн в тонких полупроводниковых слоях(ТПС). Особое внимание привлекают к себе полупроводниковые пленки с. отрипательной дифференциальной проводимостью (ОДП), возникающей, например, в сильных электрических полях в результате междолинного переноса электронов в полупроводниках типа n-GaAs. ОДП арсенида галлия приводит к возникновению либо движущихся доменов, порождающих в свою очередь токовые осцилляции, либо статических доменов в виде неоднородного пространственного распределения поля и заряда. Стабилизацию электрического поля и заряда в режиме ОДП обеспечивает малая толщина пленки. В этих условиях в структуре устанавливается неоднородное статическое распределение поля и возможна конвективная неустойчивость, проявляющаяся в виде нарастания волн пространственного заряда (ВПЗ). Этот эффект был воплощен в тон-конленочном усилителе бегущей волны (УЕВ), выполненном в виде четнрохэлэктродной пленарной структуры, сформированной на поверхности эпитаксиального слоя полупроводника. Расположенные между омическими контактами (катодом и анодом), входной и выходной электроды выполняют функцию элементов связи, осуществляющих возбуждение ВПЗ и последущее обратное преобразование усиленной ВПЗ в выходной сигнал.
Разработка пригодных для практического использования устройств сдерживается из-за нерешенности ряда задач, к которым в первую очередь следует, отнести формирование необходимого распределения поля и заряда в ТПС. Один из возможных способов управления распределением поля состоит в увеличении количества управляющих электродов, что позволяет формировать более однородное поле и приводит к увеличению коэффициента усиления приборов на ВПЗ.
Наиболее точными моделями ТПС являются двухмерные и трехмерные модели. Однако, из-за больших затрат времени на ЭВМ они редко применяются при анализе миогоззтворннх протяжонных ТПС, к которым относятся устройства на ВПЗ. Чрезмерная информативность описания, даваемая этими моделями, нередко является избыточной я инженерных прилсженниях, в то время как использование одномерных
моделей ТПС чревато потерей важных эффектов.
Наиболее приемлемыми являются квазидвумерные модели (КДМ). Однако, существующие КДМ не учитывает поперечных неоднородаостей продольной составляющей поля в канале ТПС. Остается нерешенным в рамках КДМ вопрос о корректном расчете формы токовсго канала с учетом диффузионного размытия перехода обедненная область-канал.
Цель работы. Целью диссертационной работы является построение квазидвумерной модели ТПС с отрицательной дифференциальной проводимостью с учетом диффузионного размытия границы.обедненная область-токовый канал при разогреве электронного газа в сильных электрических полях и применение этой модели для исследования распределения электрического поля и заряда в иротяжэнных ТПС.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Вывод квазидвуморных уравнэний посредством применения
операции поперечного усреднения к уравнениям Пуассона, нопрерыв-
-> ности, rotE=o и анализ физических процессов в ТПС с ОДП при
произвольной геометрии активной части структуры.
-
Вывод квазидвумерного уравнения, определяющего границі' активной области ТПС с учетом диффузионного размытия гранит канала и разогрева электронного газа.
-
Исследование физической картины распределения статического поля и заряда в многозатворных протяженных ТПС с ОДП.
-
Экспериментальные исследования распределения потенциала, низкополэвой подвижности в ТПС с ОДП и вольт-амперных характеристик (БАХ) управляющих электродов.
Научная новизна работы заключается в следующем :'
получено дифференциальное уравнение, позволяющее учитывать поперечные нводно]юдности продольной составляющей поля в токовом канале ТПС с ОДП;
учтено диффузионное размытие границы обедненная область-токовый канал;
рассчитано распределение поля и заряда в многозатворной протяженной ТПС с ОДП;
- ис;ледивамо влияние поперечных неоднородноотей поля в
канале ТПС ш> расположение границы обедненной области;
- исследовано влияниз диффузионного размытия границы обед
ненная області. -;:ан<іл на положении эффективной границы;
- исследовано влияние параметров ЇПС на коэффициент нарас
тания волн пространственного заряда в УБВ.
Практическая значимость работы:
разработана квазидвумерная модель ТПС с ОДП;
разработан пакет прикладных программ, позволяющий моделировать распределение поля и заряда в протяженной многозатворной ТПС с ОДП и определять коэффициент нарастания ВПЗ;
разработана .экспериментальная установка и программное обеспечение для измерения концентрации и подвижности носителей заряда в диапазоне температур 77 К - 300 К;
разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для измерения ВАХ управляющих электродов.
Основные научные положения, выносите на защиту.
1. Известные уравнения квнзидвумерноп модели необходимо
дополнить уравнением rot=o, усредненным по поперечному сечению
ТПС, что позволяет, виразить напряженность ноля на границе
токового канала через усредненное электрическое поло.
2. 3 основу анализа диффузионного рэзгатня гранят -токового
канала положено интегральное уравнение, полученное из равенства
краевого тока в области обеднения и тока, "вносимого" в область
канала.
3. Учет диффузионного раг"л.'тия границ7! токорого капала дает
поправку глубина сбеднегтия под затвором Еоттки, которая зявисігг
от электронной температур1.; и степени нарушения олвктронэйтраль-пости в токовом канале и приводит к увеличению его ШИріїПЦ.
4. Разработанная кпазидвуморноя модель позволяет рассчиты
вать мкогозатворние топкопленочные полупроводниковые структура с
ОДП для обеспечения режимов работа УБВ с протятонпой областью
загюрогового поля в сочетании с квазисвободной границей
дрейфового потока электронов.
Аппрсбацкя результатов работы. Основные результаты работа доісладшззлись на: Всесоюзном пэучно-тохтшчоском ссгг.шзр "Прл-мвнэтаэ методов электронной и ионной технологии в прокншлеи-ностн" (Ленинград, 1985); отраслевом семинаре "Электрояно-ионнэя и плазменная технология"(Лошпіград, 1385); Всесоюзной научно-технической коферекции "Интегральная электроника СВЧ"(Красноярск, 1988); Всесоюзной школе совещание-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-
диэлектрическими структурами"(Саратов, 1988); Научно-технических конференциях профессорско-преподовательского состава ЛЭТИ им.В.И.Ульянова(Ленина) (Ленинград, І984-І99ІГГ).
Публикации.По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, включая 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объ8м диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов с выводами, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 124 наименования. Основная часть работы изложена на 93 страницах машинописндго текста.. Работа содержит 48 рисунков.
