Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование усилителя СВЧ на субмикронном НЕМТ транзисторе в нелинейном режиме 22
1.1. Коротко-канальные эффекты в субмикронном НЕМТ транзисторе и методика их моделирования 30
1.2. Описание нелинейной аналитической модели субмикронного НЕМТ транзистора 35
1.3. Расчет нелинейных элементов эквивалентной схемы НЕМТ транзистора 44
1.4. Методика интеграции модели НЕМТ транзистора в среду схемотехнического проектирования DesignLab 8.0 48
1.5. Влияние доминирующих коротко-канальных эффектов на характеристики НЕМТ транзистора 53
1.6. Модель СВЧ усилителя. Влияние коротко-канальных эффектов на характеристики электромагнитной совместимости усилителя на субмикронном НЕМТ транзисторе 63
Выводы 68
Глава 2. Моделирование усилителя на двухканальном субмикронном НЕМТ транзисторе 71
2.1. Аналитическая модель двухканального субмикронного НЕМТ транзистора 74
2.2. Влияние дополнительного канала на характеристики элементов эквивалентной схемы двухканального НЕМТ транзистора 86
2.3. Влияние дополнительного канала на характеристики электромагнитной совместимости усилителя на двухканальном субмикронном НЕМТ транзисторе 91
Выводы 92
Глава 3. Исследование шумовых характеристик СВЧ усилителей на субмикронных одно- и двухканальных НЕМТ транзисторах 95
3.1. Основные источники возникновения шумов в НЕМТ транзисторах 96
3.2. Развитие шумовой модели для субмикронных одно- и двухканальных НЕМТ транзисторов, учитывающей эффекты короткого канала 98
3.3. Влияние дополнительного канала субмикронного НЕМТ транзистора и коротко-канальных эффектов на коэффициент шума усилителя на его основе 104
Выводы 107
Глава, 4. Оптимизация конструктивных параметров и режима работы одно- и двухканальных НЕМТ транзисторов с целью улучшения характеристик помехозащищенности усилителей СВЧ на их основе 111
4.1. Влияние напряжения смещения на затворе и стоке субмикронного одноканального НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ 112
4.2. Влияние электрофизических и геометрических параметров субмикронного одноканального НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ 126
4.3. Влияние электрофизических и геометрических параметров и режима работы двухканального субмикронного НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ 131
4.4. Оптимизация характеристик электромагнитной совместимости в двухкаскадных усилителях СВЧ на основе одно- и двухканальных субмикронных НЕМТ транзисторах 138
Выводы 143
Заключение 145
Библиографический список использованной литературы 147
Приложение 165
- Описание нелинейной аналитической модели субмикронного НЕМТ транзистора
- Влияние дополнительного канала на характеристики элементов эквивалентной схемы двухканального НЕМТ транзистора
- Развитие шумовой модели для субмикронных одно- и двухканальных НЕМТ транзисторов, учитывающей эффекты короткого канала
- Влияние электрофизических и геометрических параметров субмикронного одноканального НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа и синтеза входных устройств, построенных на базе субмикронных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ транзисторов) [1-5] и применению данных методов для предсказания и улучшения реальных характеристик помехозащищенности малошумящих усилителей (МШУ).
Описание нелинейной аналитической модели субмикронного НЕМТ транзистора
Такая ситуация обычно имеет место в кремнии, где значение эффективной массы электрона велико и уровни близки друг к другу (из квантовой механики известно, что разница в энергиях между уровнями обратно пропорциональна эффективной массе). В арсениде галлия эффективная масса электрона очень мала (0.067те), поэтому в нем можно наблюдать увеличение подвижности.
Ток электронов вдоль канала определяется величиной концентрации и подвижностью электронов. Последняя определяется особенностями рассеяния электронов в 20-канале. Здесь важную роль играет рассеяние на дальнодействующем кулоновском потенциале ионизированных примесей в широкозонной части гетероперехода. Для ослабления этого рассеяния в структуре гетероперехода создается тонкий нелегированный слой в широкозонной части - спейсер (spacer). Слабополевая подвижность электронов в 20-канале растет приблизительно линейно с ростом толщины спейсера. Однако наличие этого слоя увеличивает толщину обедненного слоя затвора ПТ, что снижает крутизну gm. Экспериментально показано, что оптимальной толщиной нелегированного слоя является 2-3 нм.
В хорошей гетероструктуре AlGaAs/GaAs потенциальная яма у границы раздела содержит обычно лишь две заполненные энергетические подзоны и различие между моделями 3D (предполагающей непрерывный энергетический спектр) и 2D (предполагающей дискретный спектр) достаточно велико [1]. Уровень Ферми у этой структуры проходит через потенциальную яму, что определяет использование функции распределения Ферми-Дирака.
НЕМТ транзистор представляет собой нанесенный на полуизолирующую подложку слой чистого GaAs с концентрацией остаточных примесей 10 - 1015 см" , над которым располагается спейсер -тонкий нелегированный слой AlxGai.xAs (ND 1015 см"3), и затем - слой сильнолегированного (ND w 10 см") AlxGai.xAs ex 0,3. На последнем слое размещаются контакты истока, затвора и стока. Активная область - 2D-KaHan - образуется у гетероперехода AlGaAs/GaAs (рис. 1.1). Для лучшего контакта с каналом области под стоком и истоком могут быть сильно легированы.
Физический принцип работы НЕМТ, в общем, такой же, как и у всех полевых транзисторов, но работе и структуре НЕМТ транзистора имеются, однако, существенные специфические особенности, которые потребовали создания новой модели для описания его основных свойств. Основными особенностями являются очень высокая проводимость и квантованные состояния в узком канале, а также большая близость металла затвора к каналу, при большей диэлектрической постоянной слоя AlGaAs по сравнению с Si02.
Рассмотрим основные требования к конструкции затвора, позволяющие получить максимальную крутизну прибора.
Слой AlGaAs, играющий роль изолятора между металлом затвора и каналом, должен быть сделан как можно тоньше. При этом достигается большой выигрыш в проводимости и токе через канал, который превышает эффект ухудшения характеристик из-за роста емкости затвора. С другой стороны, слой AlGaAs является поставщиком электронов в канал и должен быть максимально легирован, и иметь максимально высокий барьер гетероперехода для уменьшения обратных токов. Максимальная высота барьера в твердом растворе AlxGa].xAs достигается при х = 0.3.
В слое AlGaAs образуются два слоя обеднения. Один обусловлен диффузией электронов в канал. Его толщина около 10 нм при Nn и 10 см" . Второй связан с барьером Шоттки на границе с металлом. И нормально закрытый и нормально открытый режимы работы могут быть созданы путем соответствующего выбора металла затвора (изменение величины барьера Шоттки), толщины AlGaAs и плотности легирования.
Для устройств работающих в режиме обеднения (нормально открытых), толщина AlGaAs выбирается так, чтобы область обеднения от барьера Шоттки только касалась области обеднения вызванной диффузией электронов в GaAs. AlGaAs должен быть полностью обеднен, чтобы предотвратить образование паразитного ПТ с затвором Шоттки параллельно с НЕМТ. Управление плотностью 2Б-газа в этом случае осуществляется подачей отрицательного напряжения на затвор. Типичные параметры нормально открытого ПТ: толщина слоя AlGaAs около 50 - 60 нм. В этом режиме работают дискретные СВЧ-приборы.
Для устройств работающих в режиме обогащения (нормально закрытых) AlGaAs делается тоньше (30 - 40 нм) или увеличивается высота барьера Шоттки, так что и 2D-ra3 и AlGaAs полностью обеднены при нулевом напряжении. Чтобы открыть транзистор требуется приложить положительный потенциал. Этот режим используется в логических устройствах ЭВМ.
Энергетические диаграммы нормально открытого и нормально закрытого НЕМТ при нулевом смещении показаны на рис. 1.3(а,б). В режиме обогащения область пространственного заряда от барьера Шоттки, распространяясь, преодолевает встроенный потенциал гетероперехода и проникает в GaAs. Результирующий изгиб зон препятствует формированию 2D-ra3a, (ямы не возникает) и носители как бы «скатываются» в подложку. Доноры в AlGaAs не вызывают формирования 2D-ra3a, но вместо этого управляют поверхностным потенциалом в GaAs на гетеропереходе. зо Положительное смещение вызывает обратный изгиб зон, и накопление электронов в 2D-ra3 становится возможным (— на рисунке). В режиме обеднения 2D-ra3 существует при нулевом смещении и требуется приложить отрицательное напряжение, чтобы обеднить 2D-ra3 [46]. При достаточно большом положительном напряжении на затворе, в слое AlGaAs может возникнуть канал проводимости. В этом случае как бы два ПТ (один собственно НЕМТ с высокими характеристиками, другой обычный ПТ с барьером Шоттки) оказываются друг над другом, резко ухудшая параметры транзистора. Это нетрудно понять, если проанализировать зонную диаграмму селективно- легированной гетероструктуры. Как следует из рис. 1.4, при малых напряжениях на затворе, энергетическое расстояние между квазиуровнем Ферми электронов и минимумом зоны проводимости в AlGaAs велико и концентрация электронов в AlGaAs пренебрежимо мала. При больших амплитудах напряжения на затворе, квазиуровень Ферми достигает дна зоны проводимости и таким образом, электроны наводятся в минимуме зоны, что резко ухудшает крутизну прибора. Попадая в ловушки в AlGaAs, эти электроны перестают давать вклад в ток транзистора.
Влияние дополнительного канала на характеристики элементов эквивалентной схемы двухканального НЕМТ транзистора
Чтобы применить полученные соотношения на практике в Schematic, необходимо, во-первых, создать для каждого элемента новый символ с полиномиальными коэффициентами в качестве атрибутов и, во-вторых, описать его модель, использующую эти коэффициенты, текст которой помещается в библиотечный файл (см. приложение). Напряжения смещения стока и истока оформляются в виде глобальных параметров для удобства их задания. Необходимо отметить, что в Schematic не предусмотрено считывание атрибутов символов из файла, что создает неудобства при задании полиномиальных коэффициентов, которое необходимо проводить вручную. Поэтому, дополнительно была написана программа, записывающая эти коэффициенты в текстовый файл, генерируемый Schematic, при рисовании схемы, представляющий собой описание этой схемы на стандартном языке PSpice.
Также, в DesignLab не предусмотрен непосредственный расчет S-параметров. Вместо этого предлагается использовать измерительные схемы, представленные на рис. 1.8 б,в. Эти схемы лучше всего оформить в виде подцелей и назначить им собственный символ. Подсоединяя цепь, изображенную на рис. 1.86, последовательно к входу и выходу измеряемой схемы, можно получить параметры S]2 и S2i соответственно. Подсоединяя цепь, изображенную на рис. 1.8в, последовательно к входу и выходу измеряемой схемы, можно получить параметры Su и S22- Ввиду того, что стандартное сопротивление 50 Ом уже присутствует в измерительной схеме, его необходимо убрать из основной схемы.
Для проверки правильности модели были рассчитаны вольт-амперные характеристики нескольких НЕМТ транзисторов. Сначала получена ВАХ для НЕМТ с длиной затвора 1мкм, когда ККЭ несущественны и проверена правильность расчета по известным экспериментальным данным. Для проверки модели при наличии ККЭ, сначала была рассчитана ВАХ транзистора фирмы NEC NE33200 с длиной затвора 0.3 мкм и произведена калибровка параметров модели порогового напряжения по экспериментальным данным. Далее, используя выбранные после калибровки параметры, была рассчитана ВАХ НЕМТ транзистора NEC NE32484A с такой же структурой, но меньшей длиной затвора равной 0.25 мкм. Во всех случаях получено хорошее соответствие с экспериментальными данными. В итоге, для исследования влияния ККЭ на параметры малосигнальной модели транзистора, был произведен расчет и калибровка параметров модели порогового напряжения для НЕМТ ATF35143 фирмы Hewlett Packard с Ьз = 0.5 мкм, поскольку для него имеется больше экспериментальных данных.
На рис. 1.9(а,б) сплошными линиями представлены рассчитанные вольт-амперные характеристики для двух НЕМТ транзисторов в сравнении с экспериментальными данными (точки), электрофизические, геометрические и модельные параметры которых приведены в Таблице 1. Видно, что с укорочением длины затвора (рис. 1.96) на этих характеристиках имеет место существенный рост тока стока в области насыщения, что всегда наблюдается в эксперименте для субмикронных транзисторов. Как известно из ранних исследований для обычных ПТ и НЕМТ, такое явление не может быть связано только с модуляцией длины канала в насыщении, а проявляется еще в результате изменения порогового напряжения с напряжением сток-исток и под влиянием эффекта ударной ионизации, причем, для более коротких длин затвора эти эффекты усиливаются [33, 38, 39, 57-59].
На рис. 1.96 пунктиром представлены ВАХ, рассчитанные без учета ККЭ (насыщение дрейфовой скорости электронов учитывалось во всех случаях). Видно, что при учете дополнительных коротко-канальных эффектов, мы получили хорошее совпадение с экспериментом (сплошные линии), тогда как в противном случае (пунктирные линии) необходимого роста тока в насыщении не наблюдается.
На рис. 1.10а представлена зависимость крутизны от напряжения затвор-исток при разных напряжениях сток-исток для транзистора №2 (Таблица 1). Видно, что в случае учета ККЭ (сплошные линии), изменение крутизны со сменой рабочего режима заметно больше, чем в аналогичном случае для обычной модели (пунктир). Также, в результате уменьшения порогового напряжения и, соответственно, сдвига характеристик в сторону более отрицательных напряжений и3и, значения крутизны и емкости затвор-исток (рис. 1.106) оказываются больше в области больших отрицательных напряжений затвор-исток. Емкость затвор-исток во всем используемом диапазоне напряжений к тому же оказывается больше при наличии ККЭ, что уменьшает быстродействие. Выходная проводимость (рис. 1.11а) и емкость обратной связи затвор-сток (рис. 1.116) также возрастают в присутствии ККЭ, но в этом случае их изменение со сменой напряжения затвор-исток при малых напряжениях сток-исток практически такое же, как и в отсутствии ККЭ. Различие становится заметнее при больших напряжениях сток-исток, когда проявляется эффект ударной ионизации. Для верификации модели были также рассчитаны S-параметры транзистора №2 с помощью пакета DesignLab 8.0 и сверены с экспериментальными, взятыми из технических данных прибора. При этом использовалась схема ВЧ модели, предложенная разработчиками транзистора, оптимизированная для диапазона частот 1 - 6 ГГц (рис.1.12).
Результаты моделирования приведены на рис. 1.13а,б и 1.14а,б. Из рис. 1.13, рис. 1.14 видно, что учет эффектов короткого канала действительно привел к уточнению расчета S-параметров транзистора. При укорочении длины затвора пренебрежение этими эффектами будет приводить к более существенной ошибке.
Развитие шумовой модели для субмикронных одно- и двухканальных НЕМТ транзисторов, учитывающей эффекты короткого канала
При всех своих преимуществах, обычный НЕМТ транзистор обладает и некоторыми недостатками, а именно: максимальная концентрация двумерного электронного газа, достигаемая в потенциальной яме транзистора, составляет порядка 10 см" , что ограничивает мощность транзистора. Кроме того, при больших напряжениях сток-исток/затвор-исток транзистора, горячие электроны в канале транзистора преодолевают потенциальный барьер гетероперехода и попадают в ловушки в легированном слое AlGaAs, а так же в подложке. Это приводит к эффекту сжатия вольт-амперных характеристик, т.е. уменьшению максимального значения выходного тока. Повышение концентрации двумерного электронного газа в квантовой яме транзистора, а также повышение потенциального барьера гетероперехода, возможно, путем увеличения молярной доли алюминия и степени легирования донорного слоя AlGaAs. Однако, с повышением степени легирования, возрастают и токи утечки через барьер Шоттки на границе с металлом, потому практически концентрацию доноров в слое AlGaAs ограничивают порядком 1018 см"3. Вопрос с захватом носителей заряда ловушками в подложке так же не решается [95,96].
Тем не менее, использование НЕМТ транзисторов в первом и последующих усилительных каскадах предпочтительно в СВЧ диапазоне. Преодолеть указанные выше недостатки позволяет новый класс двух-или многоканальных НЕМТ транзисторов. Наличие дополнительных каналов позволяет значительно расширить диапазон используемых уровней входных сигналов и повысить мощность и линейность усилителей на таких приборах, сохраняя при этом высокое быстродействие, присущее технологии транзисторов с высокой подвижностью электронов [40,41].
Так, если в обычной НЕМТ структуре с гетеропереходом AlGaAs/GaAs (рис. 1.1) добавить дополнительный слой легированного AlGaAs под слоем нелегированного GaAs, получим НЕМТ транзистор с двумя гетеропереходами и двумя проводящими каналами с двумерным электронным газом, модулируемыми одним затвором. Такой транзистор смог бы обеспечить в два раза большую поверхностную плотность носителей заряда по сравнению с обычными НЕМТ транзисторами. Составляя вместе такие структуры с двумя гетеропереходами, можно получить еще большее количество каналов (рис. 2.1). Для многоканальных НЕМТ транзисторов, каждый нелегированный канальный слой GaAs, зажат между двумя легированными донорными слоями n-AlGaAs, отделенными от канала тонкими нелегированными слоями AlGaAs - спейсерами. Фактически, имеет место чередование прямой НЕМТ структуры с переходом AlGaAs/GaAs и так называемой обращенной НЕМТ структуры с переходом GaAs/AlGaAs.
Практические измерения [40] для двух, четырех и шести канальных НЕМТ транзисторов дали значения для поверхностной плотности заряда 1.8 10 см",3.4 10 см" и 5.33 10 . При этом ширина всех донорных слоев была ЗООА, спейсеров - 50А, канальных слоев - 150А. Данный результат показывает практически прямо-пропорциональную зависимость между количеством каналов и суммарной поверхностной плотностью заряда электронов двумерного газа в каналах. Но это не означает, что крутизна транзистора улучшается в той же мере, так как в многоканальных НЕМТ транзисторах потенциал затвора оказывает меньшее влияние на каналы, расположенные дальше. Эксперимент также показал, что, несмотря на то, что с увеличением количества каналов до шести можно достигнуть максимальных значений выходного тока, в два раза превышающих типичные значения для мощных полевых транзисторов с затвором Шоттки, характеристика тока стока от напряжения затвора в этом случае имеет существенную нелинейность, а характеристика крутизны демонстрирует наличие двух максимумов, характерных для многоканальных НЕМТ транзисторов. Крутизна транзистора не улучшается существенно для количества каналов более двух, потому что, во-первых, затвор не обеспечивает достаточный контроль над нижними каналами и, во-вторых, из-за наличия параллельной паразитной проводимости не только в верхнем донорном слое AIGaAs, но и во всех промежуточных донорных слоях.
Поскольку нашей задачей является не обеспечение большой мощности входного усилителя, а получение высоко линейного усилителя, то в дальнейшем мы ограничимся исследованием НЕМТ транзистора только с двумя каналами.
На рис. 2,2а показан типичный двухканальный НЕМТ транзистор с гетероструктурой AlGaAs/GaAs/AlGaAs и на рис. 2.26 - структура энергетических зон в области затвора. Каналы проводимости с двумерным электронным газом формируются на границах верхнего и нижнего гетеропереходов. Толщина нижнего легированного слоя должна быть сделана достаточно тонкой, чтобы он был полностью обеднен при переходе электронов из этого слоя в канал. Обычно он составляет 150-200А. Так же как и для обычных НЕМТ транзисторов, между каналом и легированным слоем используют тонкий нелегированный слой — спейсер, для уменьшения кулоновского рассеяния носителей заряда на ионизированных примесях.
Управление плотностью заряда в обоих каналах происходит подачей соответствующего напряжения на затвор транзистора. На рис 2.3 качественно показано изменение вида энергетических зон в области затвора с изменением напряжения затвор-исток. Вид энергетических зон можно получить с помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона для двухканальной НЕМТ структуры [97, 98].
Влияние электрофизических и геометрических параметров субмикронного одноканального НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ
Для того чтобы провести калибровку параметров модели порогового напряжения в случае коротких каналов, была рассчитана вольт-амперная характеристика еще одного двухканального НЕМТ транзистора с длиной затвора 0.25мкм и сравнена с экспериментальными данными. На экспериментальных ВАХ субмикронного двухканального НЕМТ транзистора наблюдается отсутствие существенного роста тока стока в насыщении, так как, как уже говорилось, для двухканального НЕМТ транзистора существенно снижается степень ударной ионизации.
Практически можно пренебречь явлением ударной ионизации, положив коэффициент vr в (1.2) равным нулю. То есть доминирующими эффектами короткого канала в многоканальных НЕМТ транзисторах можно считать только зависимость порогового напряжения транзистора от длины затвора и напряжения сток-исток. Для структуры транзистора с материалами AlGaAs и GaAs модельные параметры в выражении (1.2), учитывающие эти два эффекта, можно сохранить прежними.
Для изучения влияния наличия второго канала в НЕМТ транзисторе на характеристики электромагнитной совместимости усилителя на его основе, проведем моделирования усилителя на теоретическом двухканальном НЕМТ транзисторе, со структурой аналогичной ранее моделируемому обычному НЕМТ транзистору, приведенной в таблице 1, за исключением наличия дополнительного канала. Толщину канального слоя и нижнего донорного слоя выберем равными 200А, а толщину нижнего спейсера возьмем равной 50 А. Выбор этих параметров основывался на том, чтобы спад крутизны второго канала транзистора приходился на начало роста крутизны первого канала с увеличением напряжения затвор-исток. Таким образом, обеспечивается линейность характеристик двухканального НЕМТ транзистора.
Структуру эквивалентной схемы усилителя выберем такую же, как и на рис. 1.12. При моделировании использовался пакет схемотехнического проектирования DesignLab 8.0. Зависимости параметров эквивалентной схемы транзистора от приложенных напряжений аппроксимировались полиномом шестой степени, и полученные коэффициенты аппроксимации использовались в Pspice при моделировании усилителя, по методике, изложенной в разделе 1.5.
На рис. 2.10а представлена рассчитанная зависимость верхней границы динамического диапазона линейности усилителя на двухканальном НЕМТ транзисторе от напряжения затвор-исток в сравнении с той же характеристикой для одноканального транзистора. Видно существенное увеличение диапазона линейности усилителя на двухканальном НЕМТ транзисторе, что и ожидалось. Также нарис. 2.106 представлена зависимость коэффициента усиления от напряжения затвор-исток для этих двух транзисторов. Коэффициент усиления двухканального НЕМТ также выше. Отметим также почти в два раза более широкий диапазон прикладываемых напряжений затвор-исток в случае двухканального НЕМТ транзистора.
Однако, как будет показано в следующей главе, в результате наличия дополнительного канала, несколько увеличивается и коэффициент шума транзистора. 1. Синтезирована модель для двухканального субмикронного НЕМТ транзистора, позволяющая рассчитывать линейные и нелинейные характеристики транзистора с учетом возникающих в нем коротко-канальных эффектов. Модель дает возможность получать характеристики транзистора по каждому из каналов в отдельности и поэтому является удобным средством оптимизации структуры транзистора с целью управления линейностью его характеристик. 2. Показано, что наличие второго канала позволяет существенно повысить концентрацию носителей заряда в транзисторе, тем самым, увеличив максимальное значение выходного тока, а также расширить диапазон прикладываемых напряжений. 3. Проведено моделирование усилителя на основе двухканального НЕМТ транзистора. Показано, что применение такого транзистора приводит к увеличению коэффициента усиления, а также расширению динамического диапазона усилителя. ГлаеаЗ. Исследование шумовых характеристик СВЧ усилителей на субмикронных одно- и двухканальных НЕМТ транзисторах. В реальных условиях полезный сигнал усиливается на фоне шумов, как внешних, поступающих на вход усилителя вместе с сигналом, так и внутренних (собственных), образующихся в усилителе. Так как собственные шумы МШУ определяют нижнюю границу динамического диапазона, то анализ составляющих внутреннего шума МШУ и расчет изменения их интенсивности в нелинейном режиме остается важным этапом в определении чувствительности приемной системы. Прежде, чем перейти к анализу изменения уровня шума, рассмотрим его представление. В общем случае шумовой сигнал со спектральной плотностью G{a ), занимающий полосу Асо, можно представить [105] в виде суммы п синусоид со случайными начальными фазами, со средним квадратом амплитуд:
