Содержание к диссертации
Введение
1. Современные полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением и перспективы их развития 9
1.1. Приборы и структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением 9
1.2. Полупроводниковые приборы с N-образными вольт-амперными характеристиками 16
1.3. Выводы. Постановка задачи 29
2. Методики моделирования и экспериментального исследования фоточувствительных N-приборов 31
2.1 Физико-топологическое моделирование характеристик негатронов .31
2.2 Схемотехническое моделирование негатронов 43
2.3 Механизмы поглощения света в полупроводниковых негатронах 45
2.4 Методы экспериментального исследования фоточувствительных негатронов с N-образной В АХ 50
3. Моделирование и исследование фоточувствительных биполярно-полевых негатронов с шунтированием эмиттерного перехода 55
3.1 Моделирование и исследование МДП-биполярного негатрона 55
3.2 Исследование фоточувствительности МДП-биполярного негатрона...62
3.3 Выводы 71
4. Моделирование и исследование фоточувствительных- биполярных N-приборов с управляемой вольт-амперной характеристикой 73
4.1 Моделирование и исследование статических характеристик фоточувствительных биполярных негатронов 73
4.2 N Моделирование и исследование динамических характеристик фоточувствительных биполярных негатронов 82
4.3 Спектральные характеристики биполярных N-приборов 89
4.4 Температурные характеристики фоточувствительных биполярных N-приборов 90
4.5 Выводы 97
5. Фоточувствительные N-приборы с расширенными функциональными возможностями и их применение 99
5.1 Биполярно-полевые N-приборы с симметричной В АХ 99
5.2 Биполярные N-приборы с симметричной ВАХ 107
5.3 N-транзисторные оптроны 115
5.4 Полупроводниковый позиционный датчик ИК излучения 121
5.5 Выводы 125
Заключение 127
Список литературы 130
- Полупроводниковые приборы с N-образными вольт-амперными характеристиками
- Методы экспериментального исследования фоточувствительных негатронов с N-образной В АХ
- Моделирование и исследование статических характеристик фоточувствительных биполярных негатронов
- Полупроводниковый позиционный датчик ИК излучения
Введение к работе
Актуальность работы.
Уникальные свойства полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) на вольт-амперной характеристике (ВАХ), так называемых негатронов, открывают широкие возможности их применения в различных функциональных и микроэлектронных устройствах. Наибольшую долю рынка силовой электроники на сегодняшний день занимают S-приборы (тиристоры, симисторы), которые преимущественно выполняют функции ключей постоянного и переменного тока. Вместе с тем полупроводниковые приборы со статическими N-образной ВАХ остаются менее изученными. Большое внимание в последнее время уделяется разработкам мощных негатронов, основная область применения которых - элементы цепей защиты от перегрузок. Возможности создания фото- и термочувствительных N-приборов, а также негатронов с симметричными N-образными ВАХ до сих пор остаются мало исследованными. N-приборы малой мощности представляют определенный интерес в качестве элементов логики, запоминающих устройств, систем аналого-цифрового преобразования. В связи с этим требуется поиск новых физических принципов работы и методов конструктивной, технологической и схемотехнической реализации таких приборов с целью управления их характеристиками, в частности реализации фоточувствительных полупроводниковых приборов с N-образными ВАХ.
Цель работы.
Разработка принципов работы, моделирование и исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с N-образными ВАХ малой мощности. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Анализ физико-топологического, математического и схемотехнического методов моделирования полупроводниковых приборов для оптимизации моделирования статических, динамических и температурных характеристик фоточувствительных приборов с N-образной ВАХ.
-
Моделирование и исследование статических и динамических характеристик фоточувствительных МДП-биполярных N-приборов с шунтированием эмиттерого перехода.
-
Моделирование и экспериментальное исследование статических, динамических и температурных характеристик биполярных N-приборов с шунтированием эмиттерного перехода и модуляцией тока базы.
-
Моделирование и экспериментальное исследование статических характеристик фоточувствительных комплементарных МДП-биполярных и биполярных приборов с N-образной ВАХ.
-
Моделирование и экспериментальное исследование выходных, переходных и температурных характеристик N-транзисторных оптронов.
Научная новизна.
-
В результате исследования фоточувствительности интегрального МДП-биполярного N-прибора малой мощности обнаружена возможность снижения тока пика выходной ВАХ инфракрасным (ИК) облучением околозатворной области МДП-транзистора.
-
В результате моделирования и экспериментального исследования фоточувствительности биполярных N-приборов с шунтированием эмиттерного перехода и модуляцией тока базы обнаружена возможность управления выходной ВАХ данных приборов ИК излучением, как в сторону увеличения тока максимума, так и в сторону его снижения вплоть до полного спрямления N-участка при изменении пространственного положения светового пучка. Время перехода рассмотренных N-приборов из одного бистабильного состояния в другое слабо зависит от мощности излучения. С ростом температуры наблюдается рост тока и напряжения пика выходной ВАХ в N-приборах с модуляционным механизмом формирования ОДС и снижение напряжения пика в N-приборах с шунтированием эмиттерного перехода. При понижении температуры до 0С возможно спрямление участка ОДС у N-прибора с модуляцией тока базы.
-
Моделирование и исследование фоточувствительных МДП-биполярных комплементарных N-приборов с шунтированием эмиттерного перехода показало возможность реализации приборов, обладающих симметричной выходной ВАХ N-типа.
-
В результате моделирования и экспериментального исследования N-транзисторных оптронов с модуляцией тока базы и шунтированием эмиттерного перехода получены передаточные, выходные и температурные характеристики макетов указанных приборов. Показана возможность реализации двухвходового оптрона с возможностью изменения тока максимума выходной ВАХ как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения вплоть до полного спрямления N-участка.
Практическая значимость.
-
Разработаны математические, физико-топологические и схемотехнические модели для расчета статических и динамических ВАХ биполярных и МДП-биполярных N-приборов малой мощности в зависимости от мощности ИК излучения и температуры.
-
Разработана полупроводниковая структура биполярно-полевого N-прибора малой мощности с шунтированием эмиттерного перехода со значенииями тока максимума порядка нескольких миллиампер и напряжениями максимума ВАХ порядка 1В.
-
Разработаны макеты фоточувствительных биполярных N-приборов c модуляцией тока базы и шунтированием эмиттерного перехода, напряжения пиков которых составляют 0,5-0,6 В. Время перехода из одного бистабильного состояния в другое не превышает 50нс.
-
Разработаны макеты N-транзисторных оптронов, в которых возможно реализовать режим управления током пика выходной ВАХ при одновременном воздействии оптического и электрического (в цепи базы) сигналов. В N-транзисторном оптроне на основе негатрона с шунтированием эмиттерного перехода возможно управление положением выходной ВАХ как в сторону увеличения тока пика, так и в сторону его снижения (вплоть до полного спрямления) при подаче входного электрического сигнала на различные ИК светодиоды. Напряжение максимума выходной ВАХ изменяется линейно в зависимости от мощности ИК излучения в диапазоне от 0 до 25 мВт для N-прибора с модуляцией тока базы и 0 до 60 мВт для N-прибора с шунтированием эмиттерного перехода.
-
Разработан макет МДП-биполярного комплементарного N-прибора, обладающего симметричной выходной ВАХ, и способного работать на знакопеременном электрическом сигнале, напряжение пика которого не превышает 1,2В
-
Разработан макет двух-, трех- и четырехэлектродных фоточувствительных биполярных N-приборов, обладающих симметричной ВАХ, имеющих в своих схемах замещения три или четыре транзистора одной структуры, в которых возможны режимы электро- и фотоуправления. Напряжения пика N-приборов не превышают 0,6 В.
-
Разработана модель позиционного микродатчика ИК излучения на основе двух фоточувствительных N-транзисторов, позволяющего определять положение луча в одной из четырех его областей с возможностью предоставления информации в цифровом виде.
Положения, выносимые на защиту:
-
Использование методов ФТП моделирования полупроводниковых приборов в сочетании со схемотехническим моделированием позволяет разработать модели статических и динамических вольт-амперных характеристик биполярных и МДП-биполярных N-приборов, облегчают разработку таких приборов и оптимизацию их выходных параметров.
-
Моделирование и экспериментальное исследование МДП-биполярных приборов с N-образными ВАХ показывает, что такие приборы имеют невысокую фоточувствительность вследствие металлизации затвора, препятствующей проникновению излучения в активную область канала.
-
На основе биполярных N-приборов с модуляцией тока базы и шунтированием эмиттерного перехода возможно создание фоточувствительных приборов, в которых возможно управлять выходной ВАХ ИК излучением, как в сторону увеличения тока максимума, так и в сторону его снижения вплоть до полного спрямления N-участка при изменении пространственного положения светового пучка. Рост температуры приводит к увеличению тока максимума выходной ВАХ биполярных N-приборов. При понижении температуры возможно спрямление N-участка в негатронах с модуляцией тока базы.
-
На базе рассмотренных биполярных и МДП-биполярных N-приборов возможно создание фоточувствительных N-приборов с симметричной ВАХ, N-транзисторных оптронов и позиционных фотодатчиков.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были доложены на: VI международной конференции “Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы” (Ульяновск, УлГУ, 2004); девятой международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” (Дивноморское, Таганрог 2004); VII международной конференции “Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы” (Ульяновск, УлГУ, 2005); 7 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. (Санкт-Петербург, 2005).
Методы исследований и достоверность результатов.
Достоверность научных результатов обусловлена применением стандартной измерительной аппаратуры, апробированных методик и пакетов программ для математического, схемотехнического и физико-топологического моделирования полупроводниковых структур и приборов, согласованностью полученных результатов с данными других исследователей, соответствием результатов расчета и эксперимента, результатами испытаний макетных образцов полупроводниковых N-приборов.
Личный вклад автора.
В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором совместно с научным руководителем и в соавторстве, при этом автор разрабатывал методы реализации фоточувствительных полупроводниковых приборов с N-образными ВАХ, проводил моделирование, расчеты и экспериментальные исследования макетных образцов N-приборов, осуществлял обработку, анализ и обобщение полученных результатов.
Публикации.
По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 11 научных работ. Результаты исследования представлены в отчете о НИР № гос. регистрации: 0120.0.600139, инв. № 0220.0.601.741., выполненного в рамках ФЦНТП «Приоритетные направления развития науки и техники Российской Федерации на 2002-2006 годы». На структуру фоточувствительного биполярного N-прибора с шун-
тированием эмиттерного перехода оформлена заявка на изобретение №2005133546/28 (037555) от 31.10.2005.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста и состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 69 рисунков, 1 таблицу и библиографический список из 102 наименований.
Полупроводниковые приборы с N-образными вольт-амперными характеристиками
Направление современной электроники - "Негатроника" [1,2,10] существует уже несколько десятилетий и связанно с теорией и практикой создания и применения электронных приборов, имеющих в определенном режиме отрицательное значение дифференциального сопротивления, емкости и индуктивности. [1-3,10-12]. В настоящее время известны различные виды негатронов, классификация которых представлена на рис. 1.1. и 1.2. Среди них самые мощные сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы - лавинно-пролетные диоды [10,13], самые быстродействующие ключи на лавинных транзисторах [10], самые мощные токовые полупроводниковые переключатели на дини-сторах и тиристорах [14-16,10]. Однако развитие этого направления проходило неравномерно и, в отличие от классической транзисторной электроники, долгое время не имело систематизированной методологической и теоретической базы. И только в 1985 г. была дана формулировка этого научного направления [10].
Открытие падающего участка на ВАХ полупроводникового точечного диода, сделанное в 1922 г. инженером Нижегородской лаборатории О.В.Лосевым, следует считать началом развития полупроводниковой нега-троники [2,10]. Термин «отрицательное сопротивление» был введен М.А.Бонч-Бруевичем [2,10]. Он показал, что если мощность в любом элементе цепи постоянного тока всегда положительна, т.е. такой элемент по отношению к постоянному току является только потребителем энергии, то по отношению к переменному току это не всегда так. Это означает, что элемент, в котором создается отрицательная мощность, должен рассматриваться не как потребитель, а как источник энергии переменного тока [2-3,10-11].
Следующим шагом исследования приборов с ОДС стала разработка полупроводниковых негатронов, обладающих отрицательным сопротивлением в сверхвысокочастотном диапазоне. Базисом создания таких СВЧ-приборов стали статьи Шокли, опубликованные в 1954 г. [10]. Автор обсуждал идею двухэлектродного прибора с отрицательным сопротивлением, возникающим благодаря эффекту времени пролета. В качестве первого примера он рассматривает "диод с задержкой неосновных носителей". В предлагаемой им р+-п-р или (п+-р-п)-структуре, неосновные носители, инжектируемые из р+-п-перехода, дрейфуют к другому p-n-переходу, претерпевая при этом задержку, равную времени пролета. Другой прибор, предложенный Шокли, представляет собой p-n-p-структуру, которая используется в режиме прокола, чтобы обеспечить ее униполярность. Эти две структуры схожи с появившимися позднее инжекционно-пролетными диодами (ИПД) [10,11].
Также Шокли обсуждает возможность создания двухэлектродного прибора, представляющего собой однородный полупроводник, в котором под действием сильного электрического поля могут наблюдаться отклонения от закона Ома, выражаемые в понижении скорости носителей с увеличением напряженности поля, т.е. в появлении области отрицательной дифференциальной подвижности. Однако практической реализации эта идея не получила из-за ряда теоретических недоработок. В 1963 г. Ганном были получены первые экспериментальные данные о существовании пролетных колебаний, связанных с этим свойством, в GaAs и InP [17]. Приборы, использующие этот эффект, получили наименование "Диоды Ганна" или "приборы на эффекте объемного отрицательного сопротивления" [10,13]. Туннельный диод - прибор, действующий на новом принципе, был открыт в 1957 г. Л.Эсаки [2,10-11,18-20]. На прямой ветви ВАХ узкого германиевого р-п-перехода (т.е. перехода, созданного на сильнолегированном материале) был обнаружен участок отрицательного сопротивления конечной величины, получаемый в результате туннелирования электронов через узкий обедненный слой. Попытки создания мощных туннельных диодов не увенчались успехом[18-19].
В 1958 г. Рид [10] предложил использовать диод с п -р -структурой, для генерации мощного СВЧ излучения. В этом приборе используется сочетание эффектов лавинного умножения, основанного на ударной ионизации, и времени пролета электронов, однако такой прибор был построен лишь в 1964г А.С.Тагером в СССР, и получил наименование "лавинно-пролетной диод" (ЛПД). [10,13]. За рубежом первое сообщение о практической реализации ЛПД было опубликовано в 1965 г. [10,13].
В 1971 г. впервые была получена генерация в СВЧ диапазоне с помощью инжекционно-пролетных диодов (ИПД) [10,11]. В этих приборах не используется режим лавинного умножения носителей и, следовательно, отсутствуют недостатки, присущие ЛПД (значительные шумы из-за процесса ударной ионизации и значительная мощность для получения больших полей) [10,13]. Все выше рассмотренные диоды с отрицательным сопротивлением предназначены для работы в диапазоне СВЧ и способны работать при относительно небольших значениях мощности сигнала и рабочих токах.
На низких частотах большое распространение получили четырехслой-ные полупроводниковые структуры типа р-п-p-n и их различные модификации , 14-16,11,21]. В основе их работы лежит тиристорный эффект, обусловленный лавинным умножением носителей в закрытом среднем р-п-переходе, а также эффект заплывания [3,14-16,11,21]. Наиболее широкое применение получили двухэлектродные (динисторы) и трехэлектродные (тиристоры) р-п-р-п-структуры [14-16,11]. Существуют тиристоры с управлением по двум входным цепям - тетристоры, и тиристоры с чувствительным и не чувствительным электродом [11]. Наиболее систематические исследования таких ти-ристорных негатронов проведены С.А.Гаряиновым и И.Д.Абезгаузом [3,11]. Эти приборы могут работать в усилительном, генераторном и ключевом режимах, при этом для них характерна большая экономичность по питанию при работе в ключевом режиме и способность коммутировать сигналы большой мощности. Практическая область их применения ограничивается лишь устройствами импульсной техники, из-за низкой температурной стабильности низкой экономичности по питанию при работе в линейном режиме, высокие питающие напряжения и малый частотный диапазон [1,14-16,11].
Методы экспериментального исследования фоточувствительных негатронов с N-образной В АХ
Одной из основных проблем исследования полупроводниковых приборов, в том числе и негатронов, является многообразие процессов протекающих в кристалле во время работы. В частности, довольно трудно оценить вклад каждого типа носителей в результирующий ток. Однако, такая информация важна для понимания природы происходящих в структуре процессов. Целью физико-топологического моделирования является определение электрических параметров полупроводниковых компонентов или распределение по координатам и времени концентраций свободных носителей заряда и потенциала (или потенциала и квазиуровней Ферми для электронов и дырок, в зависимости от выбранного базиса переменных), а в общем случае - нахождение токов и напряжений на внешних выводах компонентов, то есть определение их вольт-амперных характеристик [51,74,86].
Исходными данными для физико-топологического моделирования являются геометрические размеры областей компонентов, входящих в состав моделируемого элемента, граничные условия (например, напряжения на внешних контактах) и физические характеристики полупроводника (распределение концентрации атомов примеси, время жизни неравновесных носителей заряда, плотность поверхностных состояний, подвижность свободных носителей заряда и др.) [51].
Традиционной является следующая схема моделирования интегральных элементов: 1) на основе исходных данных, фундаментальной системы уравнений (ФСУ) в частных производных для полупроводника с соответствующими упроще ниями и граничных условий проводится физико-топологическое моделиро вание рабочих зон активных компонентов (биполярных или униполярных транзисторов, диодов, функциональных элементов и т.д.), результатом кото рого являются электрические параметры, такие как коэффициенты передачи тока и коэффициенты инжекции интегральных транзисторных структур, теп ловые токи и емкости p-n-переходов и др., а также динамические характери стики активных элементов (как правило, без учета пассивных областей); 2) синтезируются эквивалентные электрические схемы активных областей и интегральных элементов в целом с учетом пассивных областей на основе идеализированных элементов теории цепей или иных элементов; 3) на основе эквивалентной электрической схемы и результатов физико-топологического моделирования рабочих зон активных компонентов осуществляется электрическое моделирование, результатом которого являются искомые входные, выходные и передаточные (статические и динамические) характеристики исследуемого интегрального элемента. В рамках общей концепции вычислительного эксперимента разработка дискретных физико-топологических моделей может быть представлена в виде ряда этапов [76]: построение непрерывной модели (например, ФСУ в частных производных); построение дискретной модели (нормировка, переход от непрерывных функций к сеточным, от производных к конечным разностям). Сложность этой задачи состоит в том, что уравнения (2.1)-(2.5) применимы для полупроводника с постоянным электрическим полем, равномерным распределением концентрации, постоянными значениями основных параметров (подвижности, времени жизни и т. п.). При рассмотрении реального кристалла, его объем разбивается на элементы и полагается, что для каждого из них выполняются все перечисленные выше условия. реализация дискретной модели (выбор метода численного решения полученной на предыдущем этапе системы нелинейных алгебраических уравнений, разработка алгоритма и программы процесса вычислений); анализ результатов и оценка адекватности моделирования (например, по сравнению с заведомо более точными результатами моделирования или экспериментальными данными). Следует отметить, что точность решения возрастает с уменьшением геометрических размеров элементов и с соответствующим увеличением их количества. При размерах элементов порядка десятков постоянных кристаллической решетки наблюдается сходимость результатов физико-топологического моделирования и экспериментальных исследований. В применении указанного метода к моделированию негатронов следует отметить важность точности указания граничных условий и детальности поэлементного разбиения вблизи границ полупроводника и диэлектрика. Сравнение результатов моделирования с реальными данными показывает, что при размерах прибора более 2 мкм результаты анализа одинаковы и не зависят от используемой модели. [52,101] Фундаментальная система уравнений полупроводника в диффузионно-дрейфовом приближении, наиболее часто используемом для анализа кремниевых интегральных элементов, в векторной форме (непрерывная модель) может быть записана следующим образом [51]: где л,р - соответственно, концентрации электронов и дырок; е - элементарный зарящ j„,jp - плотности электронной и дырочной составляющих тока; (G-- R)n, (G - R)p - скорости генерации-рекомбинации электронов и дырок; t -время; /;„, fip - подвижности электронов и дырок; р - потенциал; рт температурный потенциал; є - диэлектрическая проницаемость полупроводника; є0 - электрическая постоянная; No, NA - концентрации донорной и акцепторной примесей. Она включает уравнения непрерывности для электронов и дырок (2.1), (2.2), уравнения электронной и дырочной составляющих плотности тока (2.3), (2.4) и уравнение Пуассона (2.5).
Моделирование и исследование статических характеристик фоточувствительных биполярных негатронов
Для определения матриц поправочных коэффициентов ,с, используется условие равенства нулю плотностей токов во всех внешних выводах полупроводниковой структуры при нулевых напряжениях между выводами.
Численное интегрирование токов с использованием поправочных коэффициентов позволяет в ряде случаев в 1.5-2 раза сократить размерность задачи (число узлов координатной сетки), что приводит к сокращению времени вычислений в десятки раз [51].Совместное использование последовательных и одновременных методов решения ФСУ можно показать на примере алгоритма двумерного физико-топологического моделирования в базисе переменных p,FniFp сочетающего в определенной степени достоинства итерационной схемы Гуммеля, метода Ньютона-Рафсона и метода продолжения решения по параметру [51]. Суть алгоритма состоит в следующем.
Вводятся исходные данные для моделирования (геометрические размеры полупроводниковой структуры, профиль концентрации легирующих приме сей, величины шагов координатной сетки, требуемая точность решения и др.).
Задаются начальное приближение распределения потенциала по координатам, а также начальные значения напряжений на внешних контактах структуры.
Методом Ньютона — Рафсона решаются уравнения непрерывности (для одного или двух типов свободных носителей заряда). Результатом являются распределения концентраций свободных носителей.
Для полученных распределений концентраций электронов и (или) дырок решается уравнение Пуассона также методом Ньютона — Рафсона. Результатом является новое распределение потенциала. Производится проверка точности полученного решения. Если погрешность не превышает допустимого значения, осуществляется переход к п. 6, иначе -переход к п.3. Осуществляется приращение напряжений на внешних контактах и, если не достигнуты предельные значения напряжений, переход к п. 3. Иначе переход к п. 7.
Таким образом, в рамках итерационной схемы Гуммеля подсистемы уравнений непрерывности и Пуассона решаются методом Ньютона — Рафсона, При этом для каждого сочетания напряжений на внешних контактах проблема начального приближения решается при помощи метода продолжения решения по параметру.
Общим недостатком численных моделей и методов моделирования является высокая вычислительная сложность, определяющая значительные затраты времени на моделирование и требующая использования мощной вычислительной базы, особенно при реализации трехмерных моделей [51].
Сокращение минимальных топологических размеров интегральных полупроводниковых структур до (0,25 - 0,18) мкм требует учета таких эффектов, как, например, баллистический пролет подвижных носителей заряда в канале. При этом фундаментальная система уравнений полупроводника дополняется уравнениями баланса энергии и момента импульса и решается, как правило, с использованием метода Монте-Карло, причем вычислительная сложность алгоритмов решения высока даже для рабочих станций [51].
Для решения задачи физико-топологического моделирования N-приборов применялась система двухмерного моделирования Pisces-IIB, которая обеспечивает поэлементное разбиение до 12000 узлов. Адекватность двухмерной системы моделирования обусловлена постоянством всех топологических параметров в одном из направлений, т.е. срез кристалла полностью отражает его структуру. В целях правильного распределения вычислительных мощностей применяется неравномерная сетка разбиения, т.е. в областях р-n- переходов, в приповерхностных слоях, приконтактных зонах организовано учащение сетки. Решение системы дифференциальных уравнений возможно одним из итерационных методов: Результаты моделирования данным методом с максимально возможным числом узлов разбиения сетки обеспечивает расхождение с экспериментальными данными не более 1-2%, при условии идентичности параметров реальной полупроводниковой структуры и её модели. [52]. Программа Pisces-IIB позволяет проводить физико-топологическое моделирование кремниевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых структур, рассчитывать различные статические вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, в том числе и в зависимости от температуры. Хотя метод ФТП моделирования и позволяет проводить исследование фоточувствительности полупроводниковых приборов, однако в программе Pisces-IIB такая возможность отсутствует. Применение схемотехнического моделирования, в котором в качестве исходных параметров выступают результаты ФТП моделирования, дает возможность разрешить эту проблему.
Полупроводниковый позиционный датчик ИК излучения
Принцип работы данного устройства заключается в следующем: при малых значениях потенциала коллектора, инжектированные в базу неосновные носители заряда не захватываются полем коллекторного перехода. Ток коллектора сравним с токами утечки, канал МДП-транзистора не индуцируется. Ток эмиттера примерно равен току базы. Фактически канал МДП-элемента является активной базовой областью, и ток в канале определяется неосновными носителями, в данном случае - электронами. Увеличение напряжения на коллекторе до некого порогового значения приводит к увеличению коллекторного тока - активный режим работы устройства. Рост коллекторного потенциала вызывает соответствующий рост напряжения на затворе, и при достижении порогового значения базовая цепь биполярного транзистора шунтируется индуцированным каналом МДП-структуры, что приводит к снижению коллекторного тока до значения токов утечки. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к расширению канала, через который протекает весь базовый ток. То есть с увеличением напряжения коллектор-эмиттер происходит снижение коллекторного тока, - реализуется положительная обратная связь по напряжению, - появляется участок с ОДС N-типа.
Параметры физико-топологической модели следующие (рис 3.1): слева сверху - контакт истока он соединен с карманом, справа- контакт стока, он же эмиттер биполярного транзистора. В середине контакт затвора. Подложка - коллектор. Затвор с сопротивлением порядка 35 Ом/кв. выполнен из поликремния толщиной 0.55 мкм легированного фосфором. Подложка КЭФ-4,5 100 легированная фосфором (rv =4,6 Ом х см) соединена с затвором. Толщина околозатворного окисла (Si02) составляет 30 нм. Р карман толщиной 6 мкм легирован бором и является базой биполярного транзистора (Rs -2,6 Ом/кв). Толщина изолирующей пленки (S102) - 0,7 мкм. Сопротивление N+ слоя толщиной 1,2 мкм составляет 40 Ом/кв., примесь - фосфор. Толщина металла, выполненного из сплава АК1, составляет 1 мкм. Результаты моделирования представлены на рис.3.3 Моделирование показало наличие участка, где прибор входит в режим насыщения, что является прямым следствием порогового характера работы МДП элемента данной структуры. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер этой структуры составляет 0.75В.
На рис.3.2 приведена схема замещения N-транзистора моделирующая интегральное соединение транзисторов Т и Тг, образованное соответствующим включением биполярных транзисторов. Схемотехническое моделирова ниє не может в достаточной степени точно описать реально происходящие процессы в кристалле, однако возможно импортировать большинство параметров структуры из программы физико-топологического моделирования в виртуальные модели P-spice транзисторов.
Однако механизмы протекания токов в элементе и используемые в расчете имеют разную природу. В реальности ток в канале МДП-элемента обусловлен инжектированными неосновными носителями, а в расчете используется дрейфовый механизм. Не учитываются температурные параметры структур. Важным вопросом в данном случае является выбор модели базового элемента схем замещения - биполярного транзистора.
І"імА В пакете Pspice используется схема замещения биполярного транзистора в виде адаптированной модели Гуммеля-Пуна, которая позволяет учесть эффекты, возникающие при больших смещениях на переходах, и насчитывает более 50 параметров. Для наиболее полного и точного расчета выбор модели биполярного транзистора для МДП-биполярных приборов должен базироваться на основе как геометрических размеров отдельных областей кристалла (площадь эмиттерного перехода, глубины залегания р-п-переходов), так и технологических особенностей (степени легирования). В результате P-spice -моделирования получены выходные вольт-амперные характеристики, представленные на рис.3.4
Несмотря на вышеописанные допущения, отклонения результатов моделирования от экспериментальных данных не превышают 10%, что объясняется идентичностью процессов шунтирования базового тока в структуре и разделения базового тока в эквивалентной схеме замещения.
Учет в моделях емкостей р-n переходов составляющих транзисторов позволяет проводить также и динамический анализ. Для измерения динамических параметров бистабильных приборов существуют два метода:
Измерение времени перехода прибора из одного стабильного состояния в другое под воздействием управляющего импульса т.е. при переходе (переключении) прибора происходит изменение формы его выходной характеристики при стабильном положении нагрузочной прямой. 2. Измерение времени перехода прибора из одного стабильного состояния в другое при изменении напряжения питания или нагрузочного сопротивления в выходной цепи. При этом изменяется положение нагрузочной прямой, а форма выходной характеристики не изменяется. Динамические характеристики (времена выключения и включения) биполярно-полевого N-транзистора, полученные первым методом моделирования, приведены на рис 3.5.
Из получившихся графиков временных зависимостей видно, что характеристики обладают некоторой симметрией, что связано с определенным порядком процессов, происходящих в приборе при переключении, аналогично биполярному транзистору. Так процесс переключения прибора (как включение, так и выключение) можно разделить на два этапа: рассасывание для выключения (инжекция для включения) неосновных носителей в активной области базы и накопление (стекание для включения) заряда в приколлектор-ной области.
