Разработка методов моделирования и исследование лавинно - инжекционной неустойчивости в мощных полевых транзисторах СВЧ диапазона с целью повышения их выходной мощности

• Автор: Мартынов, Ярослав Борисович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Фрязино
• Количество страниц: 145 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Разработка моделей и алгоритмов расчета физических процессов, учитывающих особенности мощных высокочастотных полевых транзисторов.

1.1. Введение

1.2. Классификация моделей.

1.3. Экономичная разностная схема для двумерных нестационарных уравнений диффузионно - дрейфовой модели.
1.4. Экономичная разностная схема для двумерных нестационарных уравнений квазигидродинамической модели.
1.5. Специальный вид граничных условий для системы уравнений низкотемпературной полупроводниковой плазмы.
1.6. Модель лавинного пробоя, применимая в сильно неоднородных электрических полях.
1.7. Аналитическая модель для расчета вольт-амперных и малосигнальных высокочастотных характеристик полевого транзистора с затвором Шотки
1.8. Аналитическая модель для расчета и анализа амплитудных и фазовых характеристик двухзатворного полевого транзистора с затвором Шотки.
1.9. Заключение
ГЛАВА 2. Исследование физики процессов, происходящих в мощных высокочастотных полевых транзисторах, в областях токов и напряжений, близких к предельно допустимым для этих приборов.
2.1. Введение.
2.2. Особенности лавинного пробоя планарного полевого транзистора с затвором Шотки.
2.3. Лавинно-инжекционная неустойчивость и малые пробивные напряжения слоистых полупроводниковых структур.
2.4. Отрицательная дифференциальная проводимость и изотермический пробой стока арсенидгаллиевых полевых
транзисторов с барьером Шотки.
2.5. Объяснение аномальной зависимости напряжения пробоя затвор-сток от потенциала затвора в субмикронных полевых транзисторах с затвором Шотки.
2.6. Исследование физических механизмов, ограничивающих максимальную мощность и эффективность полевых транзисторов с барьером Шотки.
2.7. Заключение.
ГЛАВА 3. Оптимизация характеристик и оценка перспективности новых конструкций мощных высокочастотных полевых транзисторов.
3.1. Методика проектирования полевых транзисторов для усилителей мощности.
3.2. Оценка перспективности полевого транзистора с комбинированной структурой.
3.3. Влияние качества подложки на характеристики субмикронных полевых транзисторов.
3.4. Конструкция подложки гетероструктурных полевых транзисторов, увеличивающая напряжение пробоя открытого канала.
3.5. Пути увеличения мощности гетероструктурного полевого транзистора с высокой подвижностью.
3.6. Заключение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Твердотельная сверхвысокочастотная (СВЧ) электронная компонентная база, одним из важнейших элементов которой остаются усилители мощности на полевых транзисторах, активно востребована для разработки и производства систем беспроводной связи, включающей широкий спектр аппаратуры, в том числе для стационарной и мобильной телекоммуникационной аппаратуры, для высокоскоростной оптоволоконной связи, спутникового и кабельного телевидения, в том числе телевидения высокой четкости, устройств радиолокации на основе активных фазированных антенных решеток, радиоастрономии, телеметрии, контрольно-измерительной аппаратуры и много другого.
Несмотря на огромный прогресс в развитии элементной базы за последние годы, основными активными элементами в диапазоне частот от единиц до сотен ГГц остаются полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ) на арсениде галлия, других соединениях А3В5 и различных гетероструктурах на их основе. Полевые транзисторы термостабильны, а также имеют высокие характеристики в СВЧ диапазоне и более универсальны в части их применения по сравнению с гетеробиполярными транзисторами или различными типами диодов в ряде частотных диапазонов. Кроме того, технология ПТ позволяет формировать их одновременно с другими элементами в едином цикле изготовления монолитных интегральных схем СВЧ.
В последние годы наблюдается бурный всплеск активности в области разработки мощных полевых транзисторов на широкозонных материалах, особенно на гетероструктурах на основе нитрида галлия, и их использования в различных типах усилителей мощности.
Выходные характеристики полевых транзисторов определяются многими факторами: электрофизическими параметрами структуры, размерной обработкой, топологией, особенностями вольт - амперных характеристик в режимах, близких к предельно допустимым для этих приборов. Поэтому понимание физики процессов, непосредственно предшествующих разрушению транзисторов, и последующая оптимизация их структуры является актуальной задачей и влечет за собой фундаментальные исследования электронных транспортных свойств.
Вопросы проектирования и изготовления ПТ отражены во множестве статей и научных работ, однако, расчет режимов, близких к разрушению транзисторов, до сих пор оставался открытым. Такой расчет дает возможность оценить влияние топологических и электрофизических параметров на границы допустимых режимов работы прибора, а также оценивать перспективность с этой точки зрения цовых конструкций ПТШ.
Цель работы - исследование физики процессов, происходящих в мощных высокочастотных полевых транзисторах, в областях токов и напряжений, близких к предельно допустимым для этих приборов.

аналога потоков, предложенным в [24] и позволяющим получить устойчивые схемы 2-ого порядка аппроксимации по ка
ЛГ (ф. п, е)=-Г„1/2(ф, п, г) [в„и+(1-е„)«Л‘]-

+і ~ +1 „
8 “+8 П “-Г
(1.83),
где V'/1 (<р,п,є)= ц (є)Е])г + О (£)
Є+1(Х~Є

, а функция 9„ может быть задана, например, в
виде:

1+ А,
и _ КК’2{<Р,”,є) в(є)[и*іа 4-е)
(1.84).
Монотонность (1.72), обеспечивающая неотрицательность е, достигается следующим способом аппроксимации на сетке "крест" потоков тепла и выбором функции 2,:
^ &П’£)=У"2 (ф. И, 5‘)[0ео ё+( 1 0Еа ) б+1“ ]

14- ■

1+ А.
9 (б*)
К=КК* (ф, «,§*)/2 9 (є1)
(1.85),

1 при фи(<р,п,єЕа)>0 є/є* при ф,Д^Й,г,£„)<
К'а (ф> п, б)= 0.5 У (є) [у^ (ф, п, є)+уос (ф, п, є)]
(1.86),
а функции ]ас (а = 1,2) в обозначениях (рис.1) имеют вид:
у,с (ф, П, б) =0.5 [уя(ф, П, Ес)+ У<Дф. п, 8С)]
ко (ф- «< г)= 0.5 [у^(ф, И, ес)+у5 (ф, п, ес)] (1.87).
Консервативность.
Для схемы (1.70)-(1.87) выполняются все законы сохранения и следствия из них. Действительно, (1.73), (1.76) задает закон сохранения заряда. Из (1.73), (1.74), (1.76), (1.80) следует закон сохранения полного тока:
ЕК2-С,2]Я= о
(1.88),

где V“ = ~(£]'2 -Е’/2 )/А,+у'Г (ф, я1*1, ё).
Формулы (1.75), (1.79) определяют баланс энергии в электронной подсистеме. Для того, чтобы получить разностный аналог уравнения баланса энергии электромагнитного поля (1.19), введем напряженность магнитного поля Н и его ротор на сетке "крест". Для плоской задачи существует лишь компонента Н,