Введение к работе
Актуальность темы. Многие годы полевые транзисторы с изолированным затвором были маломощными приборами, однако разработчиков электронных устройств привлекал ряд их параметров, сходных с параметрами электровакуумных приборов, например высокое входное сопротивление. За последние годы была создана обширная номенклатура мощных транзисторов с изолированным затвором, содержащая десятки типономиналов, по энергетическим и частотным параметрам не уступающих западным образцам.
В настоящий момент конструкция и топология элементарной ячейки транзисторной структуры имеет отличия от классической (подзатворный окисел постоянной толщины), которая приводится в литературе, что делает теорию для классической структуры мощных СВЧ МОП транзисторов лишь частично применимой для расчета параметров современных (подзатворный окисел сложной конфигурации) мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.
В последние годы разработчики всех классов полупроводниковых приборов при проектировании используют специальные пакеты программного обеспечения позволяющие проектировать приборы в течение буквально нескольких часов, начиная от топологии и технологических процессов, заканчивая электрофизическими параметрами конечного прибора. Однако специальные пакеты программного обеспечения обладают целым рядом очень важных недостатков.
Наиболее сложным является учет новых физических эффектов, появляющихся при уменьшении длины канала. Так, модель Level 1 была справедлива только для транзисторов с длиной канала более 5 мкм, Level 2 — 2 мкм, Level 3 — 1 мкм, BSIM1 — 0,8 мкм, BSIM2 — 0,25 мкм, BSIM3 — 0,15 мкм, BSIM4 — менее 100 нм. МОП транзисторы имеют разнообразные конструкции и изготавливаются по различным технологиям. Одна и та же программа расчета должна обладать способностью быть настроенной на любую конструкцию и любой техпроцесс путем изменения ее параметров, доступных пользователю.
При проектировании мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой разработчики в основном ориентируются на достижение требуемых малосигнальных параметров, однако малосигнальные параметры не позволяют описать работу мощного СВЧ МОП транзистора в режиме усиления большого сигнала.
Очевидно, насколько важно инженерам, занимающимся проектированием
мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой иметь простые
аналитические модели для расчета предельных режимов работы приборов, еще
на начальном этапе проектирования. \
і ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА {
Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации являлась разработка аналитических методов расчета предельных параметров работы мощных СВЧ МОП транзисторов в зависимости от напряжения сток-исток иСи, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (ГМОП), еще на начальном этапе проектирования.
Поставленная цель определяет следующие задачи:
-
Разработать аналитический метод расчета теплового сопротивления исток-корпус Rth-k и максимального перегрева AT в мощных СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой.
-
Исследовать влияние саморазогрева мощных СВЧ МОП транзисторов протекающим током на выходные вольт-амперные характеристики мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (ГМОП).
-
Разработать методы расчета предельного тока стока 1с макс ДЛЯ современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над и п- областью стока между р- ячейками.
-
Разработать методы расчета сопротивления растекания стока Re на большом сигнале в зависимости от напряжения иСи, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной ДМОП структурой.
-
Теоретически исследовать условия включения паразитного биполярного п+-р-п" транзистора под истоковой областью для мощных СВЧ МОП транзисторов, работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:
-
Разработан аналитический метод расчета теплового сопротивления RT и-к и максимального перегрева исток-корпус ЛТ в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой с учетом двухслойной структуры - кристалл кремния - керамика ВеО. Рассчитанные значения теплового сопротивления RT и.к, и максимального перегрева исток-корпус для кристаллов реальных мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой совпадают с экспериментальными с точностью до 10%.
-
Теоретически обоснована возможность образования спадающих участков на экспериментальных выходных вольтамперных xapaKTepHcraKav современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированны?.;
коротким п-каналом (1к<1 мкм) из-за уменьшения с температурой дрейфовой скорости насыщения электронов. Выведены в аналитическом виде выходные вольтамперные характеристики для современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким п-каналом (1к<1 мкм) с учетом саморазогрева транзисторов протекающим током стока.
-
Предложен аналитический метод расчета максимального тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока Re с учетом насыщения дрейфовой скорости электронов в n-области стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над п- областью стока между р- ячейками.
-
Показано, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может оказываться меньше значения при работе на большом сигнале почти в два раза.
-
Предложен численный метод расчета предельного тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока Re в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа для потенциалов. Показано, что максимальный ток стока, рассчитанный согласно предложенной модели, отличается от экспериментального значения тока стока мощного СВЧ МОП транзистора с вертикальной структурой и с переменным подзатворным окислом менее чем на 20%.
-
Предложен аналитический метод расчета, позволяющий еще на этапе проектирования мощных СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, с учетом топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора.
-
Показано, что в СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами/=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих усилительные параметры прибора (коэффициента усиления по мощности Кур, коэффициента полезного действия стока пс) возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту: 1. Аналитический метод расчета теплового сопротивления исток-корпус Rt и-к и максимального перегрева исток-корпус AT в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП и горизонтальной ГМОП структурами с учетом двухслойной структуры кристалл кремния-керамика.
-
Теоретическое обоснование возможности образования спадающих участков на экспериментальных выходных вольтамперных характеристиках современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким п-каналом (1к<1 мкм) из-за уменьшения с температурой дрейфовой скорости насыщения электронов.
-
Аналитический метод расчета максимального тока стока 1с МАКС и сопротивления растекания стока Rc с учетом насыщения дрейфовой скорости электронов в n'-области стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над п- областью стока между р- ячейками.
-
Теоретический вывод о том, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может оказываться меньше значения при работе на большом сигнале почти в два раза.
-
Численный метод расчета предельного тока стока 1с мдке и сопротивления растекания Rc стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа для потенциалов.
-
Аналитический метод расчета, позволяющий еще на этапе проектирования мощных полевых СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, с учетом топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора, ухудшающего параметры Кур, %>
-
Теоретический вывод о том, что в современных СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами /=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих усилительные параметры прибора, возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Методика расчета максимального тока стока 1с макс, сопротивления растекания стока Rc, теплового сопротивления исток корпус RT И-к, через конструктивные и технологические параметры структуры транзистора, а также метод, позволяющий на основе топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора, были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв" в ФГУП "НИИЭТ" г.Воронеж, что подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.
Данная работа проводилась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: VII, VIII, X и XI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2001, 2002, 2004, 2005); Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004, 2005); IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2002); VIII и X Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», (Таганрог, 2002, 2004); VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004); научно практическом семинаре «Элементная база специальной силовой электроники» (Воронеж, 2003); научной секции Воронежского государственного университета (Воронеж, 2004,2005).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 статей и 12 материалов докладов на научно-технических конференциях. В совместных работах [1,2,3,4,12,14,17] автору диссертации принадлежат вывод формул и численные расчеты теплового сопротивления исток-корпус, тока стока с учетом саморазогрева, условий включения паразитного биполярного транзистора в структурах мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов. В работах [5,6,7,8,9,10,11,13,15,16] автору диссертации принадлежат построение аналитических методов расчета, численные расчеты и проведение совместных экспериментальных исследований параметров диффузионных слоев, сопротивления стока и максимального тока стока для реальных мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения содержит список цитируемой литературы из 69 наименований, изложена на 137 страницах, включая 55 рисунков и 3 таблицы.
