научная статья по теме МОДЕЛЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ В ДИОДНОМ ВКЛЮЧЕНИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ В ДИОДНОМ ВКЛЮЧЕНИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 4, с. 243-254

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

УДК 621.382

МОДЕЛЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ

В ДИОДНОМ ВКЛЮЧЕНИИ

© 2007 г. В. И. Старосельский, С. Б. Бурзин, С. С. Шмелев, Н. В. Гуминов

Московский государственный институт электронной техники (Технический университет)

vistar2000@mail.ru Поступила в редакцию 27.11.2006 г.

Предложена модель полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ) на основе GaAs в диодном включении. Рассмотрены ПТШ с однородным и 5-легированным каналом. Модель учитывает распределенный характер резистивных областей канала под затвором и пассивных контактных областей между затвором и омическими контактами. На основе полученных результатов предложена эквивалентная схема ПТШ в диодном включении, учитывающая эффект оттеснения тока, а также методика измерений ее параметров. Модель может быть использована и для гетероструктурных полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов в канале (НЕМТ).

В интегральных схемах на основе ваЛв в качестве диодного элемента используются планарные полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ), имеющие однородно легированный или 5-легиро-ванный канал [1, 2]. Структура ПТШ схематически представлена на рис. 1а,б.

Для моделирования таких диодов используются модели ПТШ с "оборванным" стоком (ток стока = 0), либо с объединенными электродами стока и истока (напряжение сток-исток У08 = 0). При этом не учитывается ряд эффектов, которые проявляются в режиме затворных токов. В данной ра-

(а)

(б)

и

иГ

Омический контакт

III

II

а " ^

II

III

Переходный слой (рс)

п (буфер)

ьваЛв

и*

и

gs

и и

gd

иг

I

Омический контакт / ш п+ а+ III

п а а а0

1 ^

-Г Переходный слой (рс) II п(( I уфер 11 \ >) г-Л1 ваЛв

г-ваЛв

Рис. 1. Структура ПТШ с однородным (а) и 8-легированным (б) каналом и линии тока при прямом смещении.

п а

I

боте предложена модифицированная модель ПТШ в диодном включении, учитывающая специфику 5-легированного канала, и методы анализа ее элементов.

По ряду причин в диодном включении предпочтительнее использовать "нормально открытые" транзисторы с отрицательным пороговым напряжением, которое определяется соотношением

V = vtn - ^5 = Vв - ea(D5 + ^/2)/ее,

05

(1)

где VB - барьерный потенциал, Vп = VB - eNa2/2ее0 -напряжение отсечки барьерного п-слоя, D5 =

= N (x)dx - поверхностная доза легирования

5-слоя, у,5 = eaD5/ее0 - напряжение перекрытия 5-слоя, N и N5 - концентрации доноров в барьерном n-слое и 5-слое. В ПТШ с однородным каналом V = У^.

Из (1) следует, что толщина барьерного п-слоя, необходимая для обеспечения заданного порогового напряжения, составляет

a =

1+2 еео N (Vв - У)/еВ\ -1 ], 5

- канал;

(2)

однородный канал.

В структуре ПТШ (рис. 1) удобно выделить область I под затвором и контактные области II между затвором и омическими контактами. Области III омических контактов представляют собой слой эвтектики с очень высокой концентрацией донор-ных атомов (обычно Ge) и могут считаться эквипотенциальными. Вследствие обеднения поверхности области II поверхностным потенциалом УВ0 толщина а+ проводящего контактного п+-слоя в этой области меньше полной толщины контакт-

ного слоя а.

+ _

о :

а+ = а+^2 ее0 УВ0/

(3)

В табл. 1 приведены типичные значения параметров структуры ПТШ с 5-легированным и од-

нородным каналами и пороговым напряжением У - -0.8 В.

На рис. 1 представлены линии тока в диоде Шоттки на основе ПТШ с "оборванным" стоком

(4 = 0).

1. ПОДЗАТВОРНАЯ ОБЛАСТЬ I

Распределенная эквивалентная схема области I соответствует рис. 2а, где и У, - потенциалы "внутренних" точек затвора и истока, 1С - ток затвора, г = р5 сЬап/^ и р5 сЬап - поверхностное и погонное сопротивления канала, 0 - коэффициент включения диода (0 = 1 для режима 1Г) = 0 и 0 = 2 для режима V03 = 0).

Распределения тока /(х) и напряжения -Их) описываются уравнениями:

\Ш/0 = (I/ /Ь) е( - -) 'mтdx■ Ы V = -iгdx/0,

(4а) (4 б)

где I, < 1а - начальный ток барьерного контакта.

Положим вначале, что поверхностное и, следовательно, погонное сопротивления канала

Р^ лап и г не зависят от координаты х. Разделив (46) на (4а) и интегрируя полученное уравнение, получим:

\ е е = (/ + А ) /Ц; Уе ' = (1а + А ) / II,

(5а) (5 б)

Таблица 1. Значения параметров структуры ПТШ (пороговое напряжение Vt ~ -0.8 В)

№ Параметр структуры, единицы измерения Обозначение Значение параметра

5-канал Однородный канал

1 Длина, мкм затвор 1 0.8 0.8

зазоры затвор-исток, -сток Ьоя, ОБ 1.5 1.5

2 Концентрация примеси, см 3 барьерный и-слой N 5 ■ 1016 3 ■ 1017

контактный и+-слой N 1 ■ 1018 1 ■ 1018

5-слой N5 1 ■ 1018 -

буферный и-слой <1014 <1014

3 Поверхностная доза легирования 5-слоя, см-2 Б5 1.5 ■ 1012 -

4 Барьерный потенциал затвора, В Vв 0.8 0.8

5 Поверхностный потенциал ваАБ, В Vвo 0.6 0.6

6 Напряжение отсечки и-слоя, В Vп 0.8 -0.6

7 Толщина, мкм исходный и-слой а0 0.1 0.1

и-слой под затвором а 0.068 0.087

контактный и+-слой а+ 0.07 0.07

5-слой а5 0.015 -

8 Подвижность электронов, см2/В ■ с барьерный и-слой Ц 5 ■ 103 4 ■ 103

5-слой Ц5 3 ■ 103 -

контактный и+-слой Цс 2 ■ 103 2 ■ 103

9 Удельное сопротивление, Ом ■ см барьерный и-слой Р 2.5 ■ 10-2 5.2 ■ 10-3

5-слой Р5 2.08 ■ 10-3 -

контактный и+-слой Р+ 2.84 ■ 10-3 2.84 ■ 10-3

10 Поверхностное сопротивление, Ом/П контактный и+-слой Р+ = Р+/а+ 406 406

и-слой Р.Я) = Р/а0 2500 520

и-слой под затвором Ря = Р/а - 600

5-слой Р55 = 1//Б5Ц5 1400 -

где

I,. = О2Ir0w/L (6)

- ток оттеснения,

1,0 = 2 тут/т = 2 т фг / р5 сЬап (6а)

- удельное (при w = значение тока оттеснения, А2 - константа интегрирования. Подстановка (5 а) в (4а) и интегрирование полученного уравнения по х от 0 до х и от 0 L/0, а по 1 от 0 до 1 и от 0 до 10 дают:

\1/А = tg (А Ох/LIr); (7а)

[1а/А = ^ (А /1Г). (7 б)

Из (76) и (56) следует, что в предельных случаях малых и больших токов

уе*/ тФт

Г , 10 < I; \ 0 (8)

0 I ГТТ Vgs/2m<Vт т ^ т

Ч1,1/ , 10 > 1г-

(а)

(б)

L/k

V

Idk

V

I di/k

V V

i/k

(Ic/k

Vo

V

Vs v r dx

V(0)

G Do

ig

Dr

S (S + D)

^Vdo IDO = Is(eVDo/m<Pr - 1) VDr ^Dr = - 1)

Рис. 2. Распределенная (а) и сосредоточенная (б) эквивалентные схемы подзатворной области I.

0

x

В общем случае:

/.>Фг в( 1+ Ig/Is )(1+ Io/Ir). (9)

Уравнения (9) и (6) приближенно определяют ВАХ участка I. Ее отклонение от ВАХ непланар-

ного контакта Шоттки 1а = 1,(еУе,1т^т - 1) связано с эффектом оттеснения тока в канале к омическим контактам.

Структура формулы (9) показывает, что под-затворная область I может быть описана сосредоточенной эквивалентной схемой, состоящей из двух последовательно включенных диодов с начальными токами I, и 1Г соответственно (рис. 26). Зависимость дифференциального сопротивления барьерного контакта от тока определяется соотношением (9) и имеет вид:

Г1 = те|-фт/1с, (10)

где

тег= т (1+21а / 1г) / (1+ 1а / 1г) (11)

- эффективное значение фактора неидеальности.

Поверхностное сопротивление канала определяется степенью перекрытия канала Ф областью пространственного заряда (ОПЗ) под затвором:

Рз сЬап = Рз/( 1- А), (12)

где

Г( Vtn - V ) / (Vtn - Vt) - для 5 - легированного канала,

= \ .__(13)

Ы(VB - Vgs)/(VB - Vt) - для однородного канала.

Эффект оттеснения проявляется при Vg

gs min

<

< Vgs < VB, где Vgs min ~ 0.6 В. Численные оценки показывают, что в этом диапазоне значение Ps chan(Vgs) отличается от среднего, вычисленного

при напрЯЖении Vgs = (Vgs min + Vgs max

)/2 = 0.7 В,

не более, чем на 8% для 5-канала и на 21% для однородного канала. Эти оценки не только оправдывают допущение о постоянстве погонного сопротивления по координате x, но позволяют считать погонное сопротивление r не зависящим от напряжения Vgs, вычисляя его при напряжении Vgs.

Расчетные значения параметров ps приведены в табл. 2.

chan и Ir0

2. КОНТАКТНЫЕ ОБЛАСТИ II И III

Как видно из рис. 1, в контактной области II ток перетекает из п- или 5-слоя в контактный п+-слой (область II) и из контактного п+-слоя в омический контакт через тонкий, но высокоомный переходный слой на границе металл-полупроводник (область III). Поэтому для анализа свойств области II рассмотрим распределенную эквивалентную схему 3-слойной резистивной структуры, представленную на рис. 3 а, где гх и г2 - погон-

Таблица 2. Расчетные значения параметров модели области I

№ Параметр, единицы измерения Обозначение Значение параметра

5-канал Однородный канал

1 Поверхностное сопротивление канала (У^ = 0.7 В), Ом рЯ сЬап 1500 1050

2 Удельный ток оттеснения, мА 1г0 0.0343т 0.049т

ные сопротивления слоев 1 и 2, g - погонная поперечная проводимость слоя 3.

Распределение токов и напряжений описывается уравнениями:

d V 1/dx = -г1/1; (14а)

d V 2^х = -г2/2; (146)

di1/dx = g( V2- V1); (14в)

/2 = / -/1 (14г)

с граничными условиями

/1 (0) = I; (15а)

/1 (') = (1- а)I; (156)

V1 (0) = У; (15в)

V 1(') = (1- а)Щ ; (15г)

V 2 (') = а1^2, (15д)

где а - коэффициент перетекания тока из слоя 1 в слой 2. Решение системы (14) дает уравнения для определения сопротивления резистив-ной структуры Яц = У/1 со стороны клеммы А (рис. 3а), коэффициента перетекания тока а и напряжения ^(0):

Я„ = (1- а)+ г./0 [ СЬ ( "'0> - 1 ^ + г2 > ' '. (16а)

г1 + г2 ¡Ь ( '/'0 )

V2(0) _ г1 г2' [ сЬ ('/ '0 ) - 1 ][ 2г 1 /(г1 + г2) - а] (16•)

~Т~ аЯ2 + г~+г2 г2'0 ¡Ь ( '/'0 ) ; (16•)

V2(0) , [ 1 - 8Ь('/'0)]г1 '0- а(г1+ г2)'0 )

— = Яп +-¡ЬЩ-, (16 В)

где

'0 = 1Щг1тг~) (17)

- длина растекания тока между слоями 1 и 2. На длине растекания устанавливаются одинаковые распределения потенциалов v1(x) и v2(x) в слоях 1 и 2, и в большей части области II ток через слой 3

равен нулю, а токи в слоях 1 и 2 пропорциональны их поверхностным проводимостям. Практически всегда выполнено условие

'/'0 > 3. (18)

При этом ¡Ь ('/'0) - сЬ( '/'0) > 1, и, исключая из (16а-в) ^(0), получим:

2

г1 '0 , г1 г2(' - '0) , 1

яп = + 1 2 - , 0 ] + , - -п , , ч ,- - - - „ ,-г; (19)

г2 + г1 г

22

г2 + г1 г1+ г2 1/( Я1+ г1 '0 ) +1/( Я2 + г2; 0)'

'0г\ , г1г2('

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком