Введение к работе
Актуальность темы. Среди многообразных направлений современной полупроводниковой электроники важное место занимает разработка и производство кремниевых транзисторов, предназначенных для работы в ВЧ диапазоне (на частотах от 30 до 300 МГц) и СВЧ диапазоне (при частотах выше 300 МГц) и высоких уровнях мощности (десятки-сотни Ватт) — так называемых мощных ВЧ и СВЧ транзисторов. Область применения таких транзисторов в специальных устройствах весьма широка. Они используются в предоконечных и выходных каскадах усилителей мощности, в средствах связи, в системах телевизионного приема, в космической телеметрии и других устройствах.
В последнее время в различных радиоэлектронных СВЧ устройствах наряду с мощными биполярными транзисторами начали широко использоваться и мощные полевые транзисторы с изолированным затвором, так называемые МДП (МОП) транзисторы.
Обладая рядом преимуществ, МОП — транзисторы могут успешно конкурировать с мощными биполярными ВЧ и СВЧ транзисторами. Так, серийные СВЧ МОП-транзисторы, работая в непрерывном режиме при напряжении питания 28 В значения выходной мощности Рвых, составляют до 250 Вт на частоте 400 МГц и до 75 Вт на 1 ГГц, а у биполярных транзисторов в аналогичном режиме работы значения мощности составляют до 150 Вт на 400МГц и до 100 Вт на 1 ГГц.
К достоинствам МОП- транзисторов стоит отнести:
отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей,
небольшая вероятность тепловой нестабильности и вторичного пробоя из-за отрицательного температурного коэффициента тока стока.
Стимулами по созданию более мощных МОП- транзисторов послужили в первую очередь проблемы радиосвязи. Исследования, проведенные под руководством О.В. Сопова и В.В.Бачурина, позволили создать первые отечественные мощные МОП- транзисторы - КП901 и КП902. Приборы КП901, КП902, КП904, продемонстрированные на международных выставках в начале 70-х годов ХХ-го века, опередили на 4-5 лет появление подобных приборов за рубежом и дали толчок к развитию этого класса приборов в технически развитых зарубежных странах. В дальнейшем интерес к этому направлению в нашей стране ослабел, а следовательно, и исследования в этой области практически прекратились.
На сегодняшний день можно констатировать тот факт, что строгая теория, которая описывала бы процессы внутри транзистора, возникающие при протекании тока, и их влияние на энергетические параметры мощных СВЧ МОП транзисторов, отсутствует, а существующие теории либо устарели, либо
являются приблизительными, использующими эмпирические "подгоночные" коэффициенты и ограничиваются лишь узким кругом конструкций транзисторных структур.
При проектировании мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, а именно, при выборе конструкции и расчете топологии, исходят, прежде всего, из требуемых значений энергетических параметров- Рвых, Кур, т|с. Энергетические параметры, в свою очередь, в значительной степени ограничиваются малосигнальными параметрами - входной - Свх = Сци, выходной - Свых = С22и, проходной — Спрох = Сі2и емкостями и сопротивлением растекания стока в высокоомной іГ-области стока - гс. Соответственно при разработке новых типов транзисторных кристаллов необходима методика расчета, позволяющая предсказать значения малосигнальных параметров, лишь задав основные параметры прибора (периметр канала, концентрации и глубины диффузионных слоев, площади истоковой и затворной металлизации и т.п.), а не определять методом проб и ошибок требуемые значения емкостей и сопротивления стока. Стоит также отметить, что создание подобной методики позволит получать транзисторные структуры с изначально оптимизированными значениями малосигнальных, а следовательно, и энергетических параметров.
Цель работы. Целью диссертации является разработка физических моделей для расчета малосигнальных параметров Спи, Є-гг-л, Q2 и и гс в зависимости от напряжения сток-исток UCH, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (LDMOS).
Поставленная цель определяет следующие задачи:
-
Разработка физических моделей для определения зависимости входной, выходной и проходной емкостей современных мощных СВЧ ДМОП-транзисторов от приложенного напряжения UCH;
-
Разработка методики расчета зависимости границ области пространственного заряда, боковой и плоской частей стокового р-n перехода от приложенного напряженияctok-hctokUCH;
-
Разработка физических моделей для расчета сопротивления стока гс с учетом переменной толщины затворного окисла и цилиндрического растекания тока в ДМОП транзисторах с вертикальной структурой, а также с горизонтальной структурой;
-
Экспериментальная проверка расчета зависимостей Cuh(Uch), С22И(иСН)и СІ2 и(иСН) ДЛЯ разных типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов по предложенным моделям;
-
Экспериментальная проверка предложенной модели расчета сопротивления стока гс для разных типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:
1. Предложены физические модели для расчета зависимости входной
еМКОСТИ - Спи, ВЫХОДНОЙ еМКОСТИ— Сии, ПРОХОДНОЙ еМКОСТИ— С |2 и от
напряжения сток-исток - UCH, современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой с учетом наличия толстого окисла между истоковыми р-ячейками. В этих моделях учитывается наличие двухслойного конденсатора (S102 — обедненный слой Si), длина и толщина которого меняется в зависимости от напряжения сток-исток UCH;
-
Разработана методика расчета влияния расширяющейся боковой части цилиндрического стокового р-n перехода с учетом Гауссова закона распределения примеси на проходную емкость Сіги мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов;
-
Разработаны физические модели для расчета сопротивления стока гс ВЧ и СВЧ МОП-транзисторов с вертикальной структурой с учетом цилиндрического растекания тока стока и отсутствия слоя накопления на поверхности под толстым затворным окислом;
-
На основании расчетов по предложенным моделям установлено, что при длинах слоя обогащения Д/ < x„, (Хсо - глубина металлургического перехода р-истоковых ячеек) сопротивление стока г. мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов практически не меняется (с точностью ~ 10 %);
-
Предложена физическая модель для определения электрофизических параметров іТ-стокового слоя СВЧ МОП-транзисторов с горизонтальной" структурой (LDMOSFET's).
Практическая ценность и реализация результатов работы. Методика расчета малосигнальных параметров (входной емкости - Спи, выходной емкости - С22и, проходной емкости - Спи, сопротивления стока - гс) была применена при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур в ходе выполнения ОКР "Пастила", "Подшипник", "Поток", "Прорыв" в ФГУП "НИИЭТ" (г. Воронеж), что подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
1. Физические модели для расчета зависимости входной емкости — Спи, выходной емкости - С-22 и, проходной емкости - Си и от напряжения сток-исток - UCH, современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой с учетом наличия толстого окисла между истоковыми р-ячейками. В этих моделях учитывается наличие двухслойного конденсатора (SiOj — обедненный слой Si) длина и толщина которого меняется в зависимости от напряжения сток-исток UCH.
-
Методика расчета влияния расширяющейся боковой части цилиндрического стокового р-n перехода с учетом Гауссово закона распределения примеси на проходную емкость СЛи мощных СВЧ МОП транзисторов.
-
Физические модели для расчета сопротивления стока гс в ВЧ и СВЧ МОП-транзисторах с вертикальной структурой с учетом цилиндрического растекания тока стока и отсутствия слоя накопления на поверхности под толстым затворным окислом.
-
Незначительное изменение (~ 10%) сопротивление стока гс мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной структурой при длинах слоя обогащения 0,1 мкм < Д/ < хсо (**» - глубина металлургического перехода р-истоковых ячеек).
-
Физическая модель для определения электрофизических параметров п~-стокового слоя СВЧ МОП-транзисторов с горизонтальной структурой (LDMOSFET's).
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VIII и ГХ международных научно-технических конференцях «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2002,2003 г.г.) и на научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004г.). По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи и 3 доклада на научно-технических конференциях.
В совместных работах автору принадлежат: вывод аналитических выражений и расчет малосигнальных параметров (входной емкости - Сци, выходной емкости - Сгги, проходной емкости — Сі 2 и, сопротивления растекания стока - гс) в зависимости от приложенного напряжения сток-исток UCH и проведение экспериментальных исследований зависимости малосигнальных параметров от напряжения UCH.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 45 наименований. Объем диссертации составляет 113 страниц, включая 43 рисунка и 3 таблицы.
