Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптимизация конструктивных параметров НЕМТ транзисторов для улучшения нелинейных характеристик усилителей на их основе 20
1.1. Физические основы работы НЕМТ транзисторов 21
1.2. Нелинейная аналитическая модель НЕМТ транзистора 29
1.3. Методика моделирования коротко-канальных эффектов в НЕМТ транзисторах 41
1.4. Методика интеграции модели НЕМТ транзистора в среду схемотехнического проектирования OrCad 9.2 45
1.5. Оптимизация конструктивных параметров НЕМТ транзисторов для улучшения нелинейных характеристик усилителей на их основе 50
Выводы 60
Глава 2. Влияние конструктивных параметров НЕМТ транзисторов на шумовые характеристики усилителей на их основе 62
2.1. Шумовая модель НЕМТ транзистора с учётом короткоканальных эффектов 62
2.2. Влияние толщины спейсера и донорного слоя на минимальный коэффициент шума усилителя при проведении оптимизации конструктивных параметров транзистора для улучшения нелинейных характеристик 70
Выводы 71
Глава 3. Экспериментальное исследование воздействия СКИ на НЕМТ транзисторы 74
3.1. Результаты эксперимента по контактному воздействию СКИ на НЕМТ транзисторы 75
3.2. Результаты эксперимента по воздействию СКИ на НЕМТ транзисторы в широкополосной коаксиальной нагрузке 79
3.3. Физические механизмы обратимых отказов GaAs полевых транзисторов под действием сверхкоротких импульсов 82
Выводы 90
Глава 4. Объёмный заряд в подложке НЕМТ транзистора под воздействием СКИ 92
4.1 Моделирование процессов в двумерной полупроводниковой структуре с гетеропереходом 92
4.2. Модель GaAs НЕМТ транзистора для исследования образования объёмного заряда в полуизолирующей подложке ... 101
4.3. Моделирование процесса образования объёмного заряда в подложке НЕМТ транзистора при воздействии СКИ 105
Выводы 106
Заключение 111
Библиографический список использованной литературы 113
- Нелинейная аналитическая модель НЕМТ транзистора
- Влияние толщины спейсера и донорного слоя на минимальный коэффициент шума усилителя при проведении оптимизации конструктивных параметров транзистора для улучшения нелинейных характеристик
- Результаты эксперимента по воздействию СКИ на НЕМТ транзисторы в широкополосной коаксиальной нагрузке
- Модель GaAs НЕМТ транзистора для исследования образования объёмного заряда в полуизолирующей подложке
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа входных устройств, построенных на базе субмикронных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ - транзисторов) [1-9] и применению данных методов для улучшения реальных характеристик помехоустойчивости малошумящих усилителей (МШУ).
Актуальность темы.
Исследования, проводимые в данной работе, направлены на изучение проблемы обеспечения помехозащищённости и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в условиях помех [10,11,85-88]. Постоянное усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) обусловлено непрерывно увеличивающимся количеством радиоэлектронных средств (РЭС), используемых как гражданскими, так и правительственными службами. Быстрое заполнение освоенных частотных диапазонов приводит к возрастанию общего числа электромагнитных помех, воздействующих на РЭА. Учитывая несовершенство технических характеристик РЭА и её расположение на ограниченной территории, проблема обеспечения электромагнитной совместимости становится особенно актуальной. Особый интерес данные исследования представляют для разработчиков радиоприемных устройств (РПУ), входящих в комплексы подвижных объектов (кораблей, самолетов) и функционирующих в наиболее сложных условиях.
В настоящее время в РЭА, рассчитанной на работу с высокочастотными сигналами, наряду с полевыми транзисторами с затвором Шоттки (ПТШ) широко используются гетероструктурные полевые транзисторы с селективным легированием (НЕМТ транзисторы). Их применение обусловлено малыми собственными шумами и высокими рабочими частотами, что позволяет использовать их в спутниковом оборудовании [12], системах навигации, оборудовании для
высокоскоростных беспроводных линий связи, оптических системах наземной связи [13] и других областях.
Исследованию НЕМТ транзисторов, а так же их моделированию на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций [14-22,52,64]. Однако в основном направленность работ связана с улучшением параметров транзисторов, обеспечивающих выполнение функции усиления слабого сигнала. Существуют работы, посвященные зависимости нелинейных свойств усилителя на НЕМТ транзисторе от конструктивных параметров и режима работы прибора [76,89]. Однако они не рассматривают влияние некоторых конструктивных параметров, таких как толщины слоев полупроводников в структуре НЕМТ. За счет их оптимизации возможно расширение динамического диапазона усилителя. Использование высоко линейного прибора в смесителе, усилителе и других устройствах приемопередающего тракта способно улучшить ЭМС характеристики РЭА.
В современных условиях малошумящие усилители (МШУ) наряду с гармоническими помехами подвергаются воздействию импульсных помех большой амплитуды. Поэтому необходим анализ, контроль и совершенствование характеристик помехозащищённости аппаратуры и её элементов в условиях такого рода. Амплитуда импульсных помех, особенно в случае сверхкоротких импульсов (СКИ), может быть значительно больше амплитуды непрерывных помех, поэтому физические механизмы воздействия импульсов на элементы радиоаппаратуры отличаются от наблюдаемых при непрерывных воздействиях. Следовательно, отличаются и эффекты, возникающие при воздействии СКИ. Для обеспечения помехозащищённости РЭА в условиях воздействия СКИ необходимо изучение данных механизмов и эффектов, что предполагает использование новых характеристик, отличных от обычно применяемых в рамках теории электромагнитной совместимости (ЭМС).
Наиболее уязвимыми по отношению к воздействию помех элементами радиоаппаратуры являются МШУ [48,49], поскольку на них в первую
7 очередь попадают помехи, принятые антенной. Зачастую эти помехи будут напрямую воздействовать на МШУ, так как для увеличения чувствительности радиоприёмника защитные устройства и фильтры на его входе могут отсутствовать. В настоящее время в качестве МШУ в основном применяются усилители на основе GaAs ПТШ, но, как отмечалось ранее, намечается тенденция их замещения НЕМТ транзисторами. Таким образом, при исследовании воздействия СКИ на РЭА особое внимание следует уделить воздействию импульсных помех на НЕМТ транзисторы как одному из факторов поражения радиоаппаратуры.
Результатом воздействия импульсных перегрузок на МШУ могут быть катастрофические или некатострофические, в том числе и обратимые, отказы. При небольшой энергии воздействия или при очень малой длительности импульса возникновение необратимых отказов маловероятно. Поэтому на первое место выходят обратимые отказы, способные серьёзно повлиять на работу оборудования даже при кратковременных перегрузках. Примером могут служить приёмники радиолокационных станций (РЛС). Периодические зондирующие импульсы от передатчика неизбежно просачиваются через защитные устройства и попадают на вход МШУ. Мощность этих импульсов может достигать 100 мВт [22,3.9,3.10] и способна вызвать обратимые отказы, проявляющиеся в ухудшении функциональных параметров МШУ, в промежутках между импульсами, что приводит к снижению чувствительности РЛС и дальности её действия.
Поэтому для проектирования РЭС, работающих в реальной ЭМО в присутствии преднамеренных и непреднамеренных помех, является актуальной задача оценки стойкости РЭА и её элементов к таким перегрузкам. Для этого были проведены исследования деградационных процессов в НЕМТ транзисторах при воздействии а них последовательности СКИ. Под деградацией здесь понимается ухудшение функциональных параметров транзистора (снижение коэффициента усиления, уменьшение
8 тока стока и др.) в результате импульсных воздействий с последующим их восстановлением после прекращения воздействия [23-24].
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.
Целью работы является:
Нелинейная аналитическая модель НЕМТ транзистора
Методы моделирования транзисторов, использующих гетероструктуры, обычно делят на три группы: одномерные, квазидвумерные и двумерные [51-53]. Одномерные аналитические модели обычно строятся на упрощениях [52,54,55]: - предположения полного обеднения в слое AlGaAs; - отсутствия локализованных зарядов в плоскости гетероперехода; - мгновенного изменения дрейфовой скорости электронов при изменении электрического поля; - участие в токе в канале только электронов 2D - газа. Двумерные модели позволяют решать уравнения переноса заряда в структуре транзистора с учетом его геометрии, электрофизических характеристик и эффектов, возникающих в субмикронных транзисторах [3,56].
Использование квазидвумерных моделей позволяет сочетать в себе простоту одномерных моделей с точностью двумерных. Большинство численных моделей, используемых для точного определения малосигнальных характеристик прибора, требуют значительных вычислительных ресурсов и специального узкоспециализированного программного обеспечения, которое, как правило, предназначено только для исследования поведения отдельного транзистора. С другой стороны, аналитические модели, основанные на физических принципах и дающие приемлемые по точности результаты, могут быть легко включены в пакеты схемотехнического моделирования. Это позволяет не только провести анализ характеристик транзистора самого по себе, но и более сложных схем, таких как входные малошумящие усилители (МШУ). Поскольку целью данной работы является оптимизация характеристик МШУ, был выбран второй подход для моделирования поведения НЕМТ транзистора и устройств на его основе.
Основной частью аналитической модели НЕМТ транзистора будет являться модель управления зарядом, сосредоточенным в канале в виде двумерного электронного газа. Для этого необходимо начать с рассмотрения образующейся на границе между каналом и донорным слоем потенциальной ямы. В обычных AlGaAs/GaAs НЕМТ - структурах возможно использование аппроксимация треугольной потенциальной ямы с двумя квантованными энергетическими уровнями для расчета концентрации двумерного электронного газа. С точки зрения моделирования, было показано, что этот метод, по сравнению с самосогласованным численным решением уравнений Шредингера и Пуассона, может оценивать плотность двумерного электронного газа с приемлемой точностью при значительном сокращении времени вычисления. В этом случае вычисление заряда в слое AlGaAs основано на статистике Ферми-Дирака. Было установлено [54], что уравнение модели управления зарядом, предложенное в [57,58] для соответствия численно рассчитанной плотности двумерного электронного газа, и использованное в [59] для описания плотности свободных электронов в слое AlGaAs, может быть также применено для плотности ионизованных доноров. Таким образом, все 3 компоненты заряда представляются одной формулой, но с различными подгоночными параметрами.
Эта модель не содержит явно пороговое напряжение, которое будет сдвигаться в условиях короткого канала и приводить к изменениям характеристик транзистора. Но имеются аналитические выражения для модельных параметров щи аи Umi и 11л, позволяющие учесть при их определении пороговое напряжение. Они могут быть получены следующим образом. Обратимся к структуре НЕМТ транзистора (рис. 1.1) и виду энергетических зон в области затвора (рис. 1.2). При этом, на рис. 1.2: (рь высота барьера Шоттки, БР И ЄШ - уровень Ферми в полупроводниковой структуре и металле затвора соответственно, єс - край зоны проводимости, U{d ) - энергия Ферми, отсчитанная от дна зоны проводимости, d = dd+dt толщина слоя AlGaAs ( dd , dt - легированная и нелегированная части, соответственно). Нанесение на поверхность AlGaAs металлического затвора, образующего с полупроводником барьер Шоттки, приводит к образованию под затвором обедненного слоя.
Величина Ad определяет важную поправку, особенно для нормально закрытых транзисторов, у которых толщина d может быть ЗОнм и имеет тот же порядок, что и толщина слоя 2D газа. Такая модель управления зарядом предполагает, что проводимость между истоком и стоком осуществляется только через 20-электронный газ. Это справедливо, когда напряжение затвор-исток меньше напряжения перекрытия обедненных слоев гетероперехода и барьера
Влияние толщины спейсера и донорного слоя на минимальный коэффициент шума усилителя при проведении оптимизации конструктивных параметров транзистора для улучшения нелинейных характеристик
Рассмотренная в предыдущей главе оптимизация транзистора по толщины спейсера и донорного слоя предусматривала только расширение верхних границ динамического диапазона по линейности и блокированию. Но, кроме максимальной мощности, которую можно подать на усилитель без искажения выходного сигнала, необходимо учитывать минимальную мощность входного сигнала, которая будет различима на фоне собственных шумов усилителя. Если при расширении верхней границы динамического диапазона минимальный коэффициент шума так же растёт, то ни о каком улучшении характеристик усилителя не может быть и речи.
При изменении толщины спейсера Кш монотонно уменьшается с ростом толщины спейсера (рис. 2.2), что вызвано удалением канала от донорного слоя и уменьшением рассеяния на ионизированных примесях. Вид зависимости Кш от рабочего режима при этом не меняется. Поскольку изменения составляют порядка 0,02дБ, нельзя говорить ни о существенном улучшении шумовых характеристик, ни об их ухудшении.
Изменение толщины донорного слоя приводит к качественному изменению наблюдаемой для Кш картины. При приближении dd к 37 нм происходит увеличение минимального коэффициента шума (рис. 2.3.) за счёт увеличения вклада дробового шума при снижении концентрации носителей в канале в этом случае. При увеличении da до 45 нм происходит рост Кш из-за образования в донорном слое дополнительного канала проводимости. При толщинах спейсера 5 и 2 нм рост коэффициента шума при крайних значениях толщины донорного слоя значительно больше, что приведёт к существенному падению чувствительности усилителя для этих наборов конструктивных параметров.
Таким образом, проведённая в главе 1 оптимизация конструктивных параметров не только позволит расширить верхние границы диапазона по линейности и блокированию, но и не приведёт к существенному увеличению коэффициента шума при рабочем режиме U3ameopa=-0,2B и Ucm0Ka=2B. Сравнение шумовых характеристик для исходного и оптимизированного транзистора приведено на рис. 2.4 1. Рассмотрена шумовая модель НЕМТ транзистора, позволяющая учитывать эффекты короткого канала и рассчитывать шумовые характеристики для нелинейной аналитической модели, рассмотренной в главе 1. 2. Проведено исследование зависимости шумовых параметров усилителя на НЕМТ транзисторе от толщины спейсера и донорного слоя. Показано, что проведённая в главе 1 оптимизация конструктивных параметров не приводит к существенному росту собственных шумов усилителя и может быть использована для улучшения характеристик помехозащищённости усилителей.
При изучении мощных импульсных воздействий на сложные радиоэлектронные системы рациональным путем упрощения задачи является выделение в этих системах уязвимых элементов и дальнейшее изучение эффектов воздействия на эти элементы, поскольку именно эти эффекты определяют подавляющее действие импульсных излучений на систему в целом. Одним из самых уязвимых к воздействию помех элементов радиоэлектронной аппаратуры являются малошумящие полевые транзисторы на арсениде галлия (GaAs ПТ). На этих транзисторах разрабатывается подавляющая часть современных малошумящих усилителей радиочастоты (МШУ), определяющих чувствительность радиоприемной аппаратуры СВЧ. Энергия воздействия, дошедшая до облучаемой аппаратуры, чаще всего невелика, поэтому катастрофические (необратимые) отказы полевых транзисторов, связанные с тепловыми эффектами, маловероятны. Наиболее вероятным последствием воздействия СКИ являются их обратимые (временные) отказы, действующие некоторое время после прекращения воздействия, с последующим восстановлением функциональных параметров. В качестве объектов исследования были выбраны полевые транзисторы с гетеропереходом, т.н. НЕМТ-транзисторы.
Для исследования воздействия СКИ на НЕМТ транзисторы использовались экспериментальные методы, основанные как на контактном воздействии, так и на воздействии путем облучения МШУ в широкополосной коаксиальной нагрузке. Суть контактного метода заключается в том, что импульсные воздействия на транзистор оказываются не в виде электромагнитного поля, а в виде напряжений, подаваемых непосредственно на выводы транзистора. Даже при облучении транзистора можно представить воздействующий на него сигнал в виде напряжений, наводимых в цепях и поступающих через антенну. Контактный метод, кроме простоты реализации, позволяет подавать импульсы выборочно в те или иные цепи, контролируя при этом полярность и амплитуду импульсов, непосредственно действующих на объект. При этом появляется возможность более определенной физической интерпретации механизмов деградации, а также определяются наиболее точные условия эффективного поражения транзисторов, выраженные в величинах непосредственно действующих напряжений на тех или иных выводах транзистора. Второй использованный метод основан на облучении объекта импульсами СКИ в широкополосной коаксиальной нагрузке. Оказываемые воздействия здесь не носят дифференцированного по цепям характера, а действуют по всем возможным путям одновременно, так что наблюдаемые эффекты имеют интегральный характер и в большей степени соответствует натурным условиям. :
Для проведения эксперимента по исследованию воздействия СКИ на НЕМТ транзисторы контактным методом использовалась установка, описанная в [46-47] и транзистор ATF33143; Рабочий режим транзистора выбирался согласно его документации в расчёте на получение максимального коэффициента усиления.. При этом Ucm=3,5B; t/3=-0,65B и Icm=l 1,98мА. На вход; испытательного модуля с установленным транзистором подавалась последовательность импульсов отрицательной полярности длительностью 5с с амплитудой от 1,42 до 14,23 В и частотой следования импульсов от 100Гц до 10 кЕц.
При малой амплитуде импульсов никакого они никак не влияют на работу транзистора. При амплитуде 2,26В становится заметным падение тока стока для; воздействия с частотой следования импульсов ЮкГц. Дальнейший рост амплитуды приводит, к падению тока стока для любой частоты следования импульсов. Необходимо отметить, что при равной амплитуде воздействия величина падения тока стока и время восстановления всегда больше при большей частоте следования импульсов.
Результаты эксперимента по воздействию СКИ на НЕМТ транзисторы в широкополосной коаксиальной нагрузке
При проведении эксперимента по воздействию СКИ на НЕМТ транзисторы в ШКН использовалась транзистор того же типа ATF33143, что и при контактном воздействии. Использование одинакового транзистора и одинакового испытательного модуля позволяет уменьшить влияние условий эксперимента и позволит сравнить эффекты, возникающие при различных типах воздействия.
Испытательный модуль с транзистором помещался в окна ШКН ЗМ, 1 и 3. Напряжения импульсов электромагнитного поля, воздействующих на транзистор в этих окнах, равно 372В, 243В и 135В соответственно. После этого на вход ШКН подавалась последовательность импульсов длительностью 5с с частотой следования от 1кГц до 300 кГц. Полученные в результате эксперимента временные диаграммы тока стока приведены на рисунке 3.5.
Обратимая деградация полевых транзисторов - в условиях СКИ, проявляется в виде временного ухудшения их характеристик: во время воздействий происходит изменение параметров транзисторов и постепенное восстановление после прекращения воздействий [48-49]. Время восстановления зависит от типа транзистора, температуры, энергетики воздействия и может составлять от десятков микросекунд до нескольких десятков секунд. Основными физическими процессами, ответственными за обратимые отказы является захват носителей в различных частях транзистора. Исходя из этого предположения, импульсные воздействия большой амплитуды приводят к накоплению заряда и уменьшению концентрации носителей в канале НЕМТ транзистора, сопровождаемой изменением его проводимости. Длительное восстановление характеристик транзистора связано с продолжительными процессами релаксации заряда на глубоких уровнях.
Стрелками показаны возможные места возникновения лавинных пробоев. всегда, в том числе и в режимах работы без перегрузки, присутствует неравновесный отрицательный заряд, сконцентрированный на глубоких уровнях подложки в связи с наличием контактной разности потенциалов между буферным слоем и подложкой (область 3 на рис. 3.8). В большинстве практических случаев отрицательный заряд на глубоких уровнях подложки связан с ионизацией глубоких акцепторов примеси хрома, которая используется при производстве подложки в целях получения компенсированного полуизолирующего GaAs [3]. Этот заряд вызывает вытеснение свободных электронов из пограничной с подложкой области буферного слоя, что приводит к образованию области объемного заряда противоположного знака (положительного) со стороны канала (область 2 на рис. 3.8).
В случае импульсных воздействий на полевые транзисторы условия для изменения заряда глубоких уровней подложки возникают тогда, когда амплитуда этих импульсов достаточно велика, чтобы качественно изменить распределение потенциалов в транзисторе. В наибольшей степени это реализуется в случае, когда импульс отрицательной полярности, действующий во входной цепи затвор-исток, превышает по амплитуде напряжение отсечки [90,91]. Аналогичные условия имеют место на отрицательной полуволне мощного СВЧ-сигнала.
Физические механизмы, действующие при подобном воздействии, аналогичны механизмам известного для полевых транзисторов эффекта обратного управления (backdating) [3,90,84]. Такой импульс приводит к возрастанию заряда на глубоких уровнях подложки и соответственному возрастанию толщины области обеднения со стороны буферного слоя, как показано на рисунке 3.86. Когда область обеднения приближается к области канала, образованного 2D электронным газом, происходит уменьшение плотности 2D газа. Это приводит к уменьшению проводимости канала и, соответственно, ток стока при сохранении исходного рабочего режима. Время восстановления характеристик транзистора после окончания перегрузки соответствует времени релаксации заряда на глубоких уровнях подложки и может иметь разные значения, не превышающие, однако, нескольких секунд [23,24,30,90,91]. Действие периодических импульсов обладает кумулятивным свойством [30,90,91], имеющим большое значение в случае коротких и сверхкоротких импульсов. Вследствие кумулятивного эффекта деградация полевых транзисторов под действием серии импульсов может быть гораздо больше деградации, вызванной одиночным импульсом, что наблюдалось в экспериментах по облучению транзистора в ШКН.
Описанный механизм обратимой деградации, связанный с глубокими уровнями подложки, является основным при импульсных напряжениях, величина которых недостаточна для наступления пробоя в транзисторной структуре. Время восстановления транзистора при таких перегрузках не превышает нескольких секунд. В случае воздействия на полевые транзисторы СКИ, амплитуда которых превышает напряжение пробоя, также наблюдается обратимая деградация, но уже со значительно большим временем восстановления. Механизм такой длительной деградации связан, по-видимому, с поверхностными состояниями на границе разделов донорного слоя, спейсера, буферного слоя и подложки. Так же он может быть вызван инжектированием электронов на глубокие уровнями в диэлектрике, покрывающем поверхность GaAs в промежутках затвор-исток и затвор-сток.
В обычных условиях, при достаточно длительных воздействиях, пробой приводит к необратимым отказам полевых транзисторов. При этом лавинный пробой может возникнуть в областях высокой напряженности электрического поля. На рисунке 3.86 стрелками показаны возможные направления пробоя, наблюдаемые на практике. В случае импульсного воздействия на затвор наблюдаются пробои в промежутках затвор-сток и затвор-исток (в основном затвор-исток [48,49,92,93]). При воздействии на сток происходит пробой на границе раздела стокового омического контакта и активного слоя [93,94]. Вследствие того, что лавинный пробой развивается в течение конечного промежутка времени [48,49], в случае сверхкоротких воздействий сравнимой или меньшей длительности (СКИ или полуволна СВЧ-сигнала) процесс лавинного размножения носителей в большом диапазоне действующих напряжений не успевает завершиться необратимыми изменениями в транзисторной структуре. При этом в области лавинного размножения носителей у поверхности GaAs в промежутках затвор-сток или затвор-исток генерируется большое число свободных носителей, которые захватываются на поверхностные состояния, увеличивая поверхностный отрицательный заряд, который там всегда присутствует [93]. Этот заряд увеличивает обеднённую область под затвором, что может привести к уменьшению концентрации носителей в канале НЕМТ транзистора. Поскольку существуют поверхностные состояния GaAs, время жизни носителей на которых велико, такой механизм может привести к продолжительной деградация проводимости канала.
Другим механизмом длительной деградации полевого транзистора, связанной с лавинным пробоем, может быть аккумулирование отрицательного заряда в диэлектрике, покрывающем поверхность GaAs в промежутках затвор-сток и затвор-исток [95]. Суть эффекта заключается в том, что в области лавинного размножения носителей в поверхностном слое GaAs возникает большое количество разогретых электронов, имеющих энергию, достаточную для туннелирования на ловушки диэлектрика или для инжекции в диэлектрик с последующим захватом на ловушки. Заряд, накопленный на ловушках диэлектрика, вызывает эффект модуляции концентрации носителей в канале, аналогичный рассмотренному выше эффекту заряда поверхностных состояний (рисунок 3.86).
Модель GaAs НЕМТ транзистора для исследования образования объёмного заряда в полуизолирующей подложке
Для моделирования процессов, протекающих в транзисторе при воздействии на него последовательности СКИ, использовалась двумерная модель одноканального НЕМТ транзистора с прямой структурой, схема которой показана на рис. 4.2. Как было показано выше основным эффектом, приводящим к обратимым отказам, является накопление заряда в полуизолирующей подложке возле границы с буферным слоем, в котором расположен канал, и в более глубоких слоях подложки, что может приводить к более длительным изменениям характеристик транзистора. Поэтому основной частью модели будет являться модель подложки, описывающая электрофизические свойства примесей и их взаимодействие со свободными зарядами. Для получения высоокомной полуизолирующей подложки используется легирование GaAs различными примесями. Наиболее полно свойства полученного материала можно описать с помощью четырёхуровневой модели, предложенной Линдквистом [84] (рис. 4.3). Модель включает мелкие акцепторные (NA) И донорные (No) уровни и два глубоких уровня. Мелкий донорный уровень образуется при легировании подложки серой и кремнием, образование мелкого акцепторного уровня обычно связывают с присутствием углерода или комплексом вакансий в кристаллической решётке GaAs. Один из глубоких уровней образован примесью хрома (Ncr) и является акцептором [3,84]. Точное положение этого уровня определить затруднительно из-за отличий в технологиях производства подложек, что приводит к различному взаимодействию хрома с GaAs, поэтому в литературе можно встретить упоминания положения этого уровня в диапазоне 0,7 до 0,8 эВ над потолком валентной зоны [110-114]. Кроме того, измерения обычно проводят при температурах, близких к абсолютному нулю, при которых положение энергетических уровней отличны от наблюдаемых при комнатной температуре. Второй глубокий уровень (NEL2) является донором, и его существование обычно объясняют наличием собственных дефектов в решётке GaAs [84]. Его энергия активации составляет около 0,8 эВ относительно дна зоны проводимости.
Расчеты проводилось с помощью пакета APSYS фирмы Crosslight Software, использующую методику расчёта, приведнную в разделе 4.1. Таким образом, для данных геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры возможно рассчитать распределение полей, степень заполнения глубоких уровней, концентрации электронов и дырок, а так же токи электронов и дырок, протекающие в различных частях рассматриваемой полупроводниковой структуры.
Используя описанную выше модель транзистора, учитывающую глубокие примесные уровни в подложке, было проведено моделирование процесса накопления избыточного отрицательного заряда в подложке в областях, прилегающих к буферному слою при воздействии на транзистор перепада напряжения с большой амплитудой. Величина перепада менялась от 0,2В до 15В, что соответствует амплитудам импульсов, использованных при экспериментах с контактным воздействием.
Как уже было отмечено, накопление заряда в подложке должно начинаться при превышении амплитуды входного воздействия напряжения отсечки. Распределение потенциала в подзатворной области, полученное по результатам моделирования приведено на рис. 4.6. При малой амплитуде воздействия (0,2В) существует как потенциальная яма для электронов, образующая канал, так и потенциальный барьер для дырок, препятствующий обмену дырками между подложкой и каналом. На рис. 4.7а показаны концентрации электронов и дырок для этой амплитуды воздействия. Видно существование тонкого канала с высокой концентрацией электронов и существование большой концентрации дырок в подложке на некотором удалении от канала. Увеличение амплитуды воздействия приводит к уменьшению потенциальной ямы для электронов и уменьшению барьера для дырок. В свою очередь, это приведёт к уменьшению концентрации электронов в канале и дырок в подложке (рис. 4.7.6). Дальнейшее увеличение перепада напряжения полностью обедняет канал и практически полностью убирает потенциальный барьер для дырок, что приводит к перекрыванию канала и уходом практически всех дырок из подложки (рис. 4.7.в)
Происходящая при описанных процессах экстракция дырок приводит к изменению степени заполнения глубоких уровней в подложке, что можно видеть на рис. 4.8. Так же, как и для изменения концентрации, существенные изменения начинаются при превышении амплитуды входного воздействия напряжения отсечки (IB). Изменение заселённости глубоких уровней приводит к изменению объёмного заряда, накопленного в подложке и приводящему к нарушению работы транзистора после окончания воздействия.
Используя полученные при моделировании степени заполнения глубоких уровней захваченными носителями, была получена зависимость плотности объёмного заряда в подложке от амплитуды воздействия (рис. 5). В области, граничащей с каналом, существует отрицательный объёмный заряд плотностью 4000 Кл/м2. При малых воздействиях глубина его распространения составляет 0,35мкм, при увеличении амплитуды до 1В изменения потенциального барьера между затвором и подложкой ещё недостаточно для изменения заряда глубоких уровней.
