регистрация /  вход

Псевдоморфные полевые транзисторы с высокой подвижностью 2 d электронов в канале ( phemt ) работа (стр. 1 из 6)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики твердого тела

Псевдоморфные полевые транзисторы

с высокой подвижностью 2 D -электронов в канале ( pHEMT )

Курсовая работа

Выполнила:

студентка 4 курса

физико-технического факультета

гр.21401

Якушева Юлия Викторовна

Научный руководитель:

профессор, д.ф-м.н.,

Гуртов Валерий Алексеевич

Петрозаводск 2007

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Псевдоморфные полевые транзисторы с высокой подвижностью 2D-электронов в канале (pHEMT)

1.1 Структура и классификация транзисторов HEMT и pHEMT.

1.2 Приборные параметры pHEMT транзисторов

Глава 2. Анализ физических процессов в HEMT транзисторах

2.1 Концентрация электронов в канале HEMT транзисторов

2.1.1 Уравнение Шредингера для 2D-электронов

2.1.2 Плотность состояний в двумерной подзоне

2.1.3 Расчет концентрации n(z) с учетом квантования

2.1.4 Спектр энергий и вид волновых функций

Глава 3. Вольтамперные характеристики HEMT транзисторов

3.1 Механизм рассеяние горячих носителей

3.2 ВАХ в линейной области

3.3 ВАХ в области насыщения

3.3.1 Напряжение насыщения и ток насыщения

3.3.2 Эффект модуляции длины каналы в области насыщения

3.3.3. Алгоритм расчета ВАХ pHEMT транзистора

3.4. Расчет порогового напряжения pHEMT транзистора

3.5 Расчет концентрации 2D-носителей в канале с учетом заполнения четырех квантовых уровней

Глава 4. Разработка флеш-анимаций, иллюстрирующих физические процессы в HEMT транзисторах

4.1. Программные средства для флеш-анимации

4.2 Реализация флеш-анимаций HEMT транзисторов

Выводы

Список литературы

Введение

Электронный учебник Гуртова В.А. «Твердотельная электроника» впервые был разработан на кафедре физики твердого тела ПетрГУ в 2003 году. В учебном пособии рассматриваются основные типы полупроводниковых приборов и физические процессы, обеспечивающие их работу. Приводится анализ электронных процессов в объеме полупроводников, в электронно-дырочных переходах и в области пространственного заряда на поверхности полупроводников. Подробно представлены характеристики диодов, транзисторов, тиристоров.

Это современный дистанционный учебный курс, содержащий лекции по твердотельной электронике, с развитой системой гиперссылок, контроля и самоконтроля, с помощью которой можно оценить свои знания по изученному материалу. Также в этом учебном курсе есть ссылки на ресурсы сети Интернет и список нужной литературы. Учебник разработан под сетевой вариант.

В связи с тем, что твердотельная электроника является быстро развивающейся отраслью науки, особенно в области практического применения, требуется проводить модернизацию данного курса.

В 2005 году учебник был дополнен главами, посвященными лавинно-пролетным диодам, светодиодам, полупроводниковым лазерам и фотоприемникам, как на основе кремния, так и на перспективных материалах GaAs, GaN, SiC. Рассмотрены квантовый эффект Холла, микроминиатюризация и приборы наноэлектроники, характеристики полупроводниковых приборов при экстремальных температурах.

В настоящее время появилась необходимость в дополнительном включении разделов посвященных псевдоморфным полевым транзисторам

с высокой подвижностью 2D-электронов в канале (pHEMT).

Цель курсовой работы заключалась в изучении и анализе физических процессов, протекающих в транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT), и разработке флеш-анимации, иллюстрирующих их работу.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Подбор статей из зарубежных и российских научных журналов, в которых излагаются физические основы работы HEMT транзисторов.

2. Анализ физических процессов, обуславливающих работу HEMT транзисторов.

3. Расчет значение характерных параметров (энергетических уровней 2D-электронов в канале, зависимость энергии Ферми от концентрации электронов в потенциальной яме, пороговое напряжение и ток насыщения).

4. Разработать две флеш-анимации, иллюстрирующие изменение зонной диаграммы и динамику ВАХ HEMT транзистора при изменении напряжения на затворе.

Глава 1. Псевдоморфные полевые транзисторы с высокой подвижностью 2D-электронов в канале (pHEMT)

Полевые GaAs-транзиcторы с гетеропереходом и управляющим затвором в виде барьера Шоттки (ГПТШ) за последние 10 лет вышли на уровень массового производства. Основное их преимущество заключается в высоком быстродействии и способности сохранять эти свойства при высоких значениях тока и напряжения. Хотя ГПТШ еще и не потеснили Si- и GaAs- биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBT), однако такая тенденция прослеживается.

Другим названием, используемым для GaAs-транзиcторов с гетеропереходом и управляющим затвором в виде барьера Шоттки, является терминология HEMT (High Electron Mobility Transistors) или полевой транзистор с высокой подвижностью 2D-электронов в канале.

На сегодняшний день идут исследования и разработки данного вида транзисторов и изучение их свойств. Материалы об этих транзисторах я смогла найти в известных журналах таких, как «Электроника: наука, техника и бизнес», «Microelectronic Engineering», «IEEE Transactions on Electron Devices», «Solid State Electronics», «Physica E», и из учебника С. Зи «Полупроводниковые приборы» 2007 года издания.

Во время сбора материалов по HEMT транзисторам я изначально использовала такие общедоступные поисковые системы, как Yandex, Google. Однако статей по тематике было недостаточно и все физические принципы работы транзисторов в статьях раскрыты далеко не полностью.

Благодаря научной библиотеке ПетрГУ, которая предоставила открытый доступ к научным журналам The Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE), Microelectronic Engineering, Solid State Electronics, Physica E, а также ресурсам The Institute of Electrical Engineers (IEE) и изданиям, выпускаемым совместно с инженерно-техническими обществами (более 180 рецензируемых журналов, около 400 материалов конференций, более 1500 стандартов), я смогла ознакомиться с физическими процессами, обуславливающих работу HEMT транзисторов.

Все издания представлены на платформе IEEE Xplore. Ресурс содержит полнотекстовые журналы, издаваемые - IEEE, IEE; IEEE совместно с OSA (Optical Society of America), ACM (Association for Computing Machinery), ASME (American Society of Mechanical Engineers) и ECS (Electrochemical Society, Inc.); труды конференций IEEE и IEE; стандарты IEEE. Представлена также БД книг, содержащая развернутую информацию об изданиях, включая оглавления и полные тексты предисловий и одной из глав.

Тематика источников включает: электротехнику, вычислительную технику, электронику, физику, биоинженерию, метрологию, связь.

Адрес ресурса в Интернет: http://ieeexplore.ieee.org (для научных журналов The Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE), и для ресурсов The Institute of Electrical Engineers (IEE)) и http://www.sciencedirect.com (для журналов Microelectronic Engineering, Solid State Electronics, Physica E).

1.1. Структура и классификация транзисторов HEMT и pHEMT .

Первая модификация полевых транзисторов с высокой подвижностью 2D-электронов в канале была реализована на гетеропереходе pGaAs-nAlGaAs.

Типичная структура HEMT на основе GaAs приведена на рис.1.

Рис.1. Типичная структура HEMT на основе GaAs

Отметим, что HEMT на основе GaAs отличается от обычных полевых транзисторов с управляющим барьером Шоттки (MESFET) наличием гетероперехода между барьерным (донорным) и нелегированным канальным слоями (в данном случае между слоями GaAs и AlGaAs). Поскольку ширина запрещенной зоны материала канального слоя меньше, чем барьерного, в канале у границы слоев формируется потенциальная яма – тонкий слой, в котором накапливаются свободные носители, образуя двумерный электронный газ (2DEG).

На рисунке 2 приведена зонная диаграмма гетероперехода nAlGaAs-pGaAs, иллюстрирующая формирование потенциальной ямы с 2D электронным газом.

Рис.2. Зонная диаграмма GaAs ГПТШ.

Так как канальный слой HEMT не легирован, в нем рассеяние на примесных центрах и дислокациях решетки минимальны, а соответственно подвижность носителей высока. Именно поэтому данный класс приборов ГПТШ называют транзисторами с высокой подвижностью электронов (HEMT).

Задача буферного слоя – обеспечить структурный переход от полуизолирующей подложки к совершенной структуре канального слоя. Постоянные кристаллических решеток AlGaAs и GaAs достаточно близки, что следует из рисунка 3:

Рис.3. Ширина запрещенной зоны и период кристаллической решетки для некоторых твердых растворов типа A111 BV

HEMT-транзисторы, гетеропереход которых образован материалами с существенно различными константами решетки (AlGaAs/InGaAs, InGaAs/InAlAs, InGaP/InGaAs и т.п.), получили название псевдоморфных транзисторов (pHEMT).

Рис 4. Структура псевдоморфного транзистора AlGaAs/InGaAs/GaAs.

Приборы этого типа за счет увеличения разрыва между границами зон проводимости и значениями подвижности электронов обладают более высоким пробивным напряжением (свыше 12В, типичное рабочее напряжение – 5–6В) и рабочими частотами, их КПД достигает 60%.

Рис 5. Зонная диаграмма псевдоморфного pHEMT транзистора AlGaAs/InGaAs/GaAs.

1.2. Приборные характеристики pHEMT транзисторов

Одним из лидеров в развитии промышленной pHEMT-технологии выступает компания TriQuint Semiconductor, которая уже создала pHEMT с минимальным размером элементов 0,15 мкм. Базовая структура транзистора формируется на полуизолирующей GaAs-подложке, на которой создают буферный слой в виде сверхрешетки AlAs/GaAs, InGaAs-канальный слой и AlGaAs-барьерный слой n-типа. Сверху и снизу к канальному слою примыкает так называемый спейсер (spacer) – тонкий слой нелегированного AlGaAs. Концентрация электронов проводимости в канале достигает 3,2•1012 см-2 , а их подвижность – 6500 см2 /В•с. В результате максимальный ток канала транзистора может составлять 680 мА/мм (при напряжении канала 1,5В), напряжение пробоя – 13В, граничная частота fT – 52ГГц, максимальная частота усиления мощности fmax – 150ГГц. Оптимальное рабочее напряжение транзистора – 6В. Выходная мощность может достигать 815 мВт/мм, а КПД – 40%.