Разработка и применение физико-топологической модели мощного полевого транзистора с барьером Шоттки и моделей микрополосковых линий для проектирования монолитных и квазимонолитных СВЧ схем на арсениде галлия

• Автор: Раков, Юрий Николаевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 289 с. : ил.

Введение

Глава 1. Моделирование микрополосковых линий и элементов интегральных

схем СВЧ на их основе

1.1. Состояние вопроса

1.2. Моделирование одиночной микрополосковой линии

1.2.1. Модель МПЛ в квазисгатическом ТЕМ приближении

1.2.2. Учет потерь в МПЛ

1.2.3. Учет дисперсионных характеристик сдф и рф .

1.2.4. Использование модели отрезка одиночной МПЛ в программах анализа

и оптимизации линейных СВЧ схем ДИСА1Р2 и БАР .

1.3. Модель двухпроводной связанной микрополосковой линии

1.4. Модель направленного ответвителя Ланге с четным числом связанных
линий .
1.5. Выводы по Главе 1 .
Глава 2. Разработка аналитической модели СВЧ полевого транзистора
с барьером Шоггки на основе арсенида галлия .
2.1. Введение
2.2. Выбор малосигнальной электрической эквивалентной схемы ПТШ
2.3. Обзор физических моделей полевого СВЧ транзистора на основе ваАз.
2.3.1. Обзор результатов исследования физики работы ваАв ПТШ с помощью
математических моделей
2.3.2. Аналитические модели полевого транзистора с барьером Шоттки на
арсениде галлия .
2.4. Разработка аналитической модели ОаЛБ ПТШ
2.4.1. Режим работы ПТШ с управлением тока канала ОПЗ БШ ,
2.4.2. Субпороговый режим работы ПТШ
2.4.3. Режим работы ПТШ с прямым включением затвора
2.4.4. Учет в физикотопологической модели и эквивалентной схеме мощного
СВЧ ПТШ распределенных эффектов структуры
2.4.5. Паразитные межэлектродные емкости ПТШ
2.4.6. Паразитные емкости корпуса.
2.5. Разработка тестовых структур для измерения профилей легирования и дрейфовой подвижности носителей заряда в слабом электрическом иоле
2.6. Определение значений максимальной и насыщенной дрейфовых скоростей и критического электрического поля
2.7. Определение параметров полупроводниковой структуры с использованием результатов измерения ВАХ готового ПТШ.
2.8. Экспериментальная проверка расчета ВАХ по ФТМ в режиме прямого включения БШ на примере одноштыревого ПТШ
2.9. Моделирование мощного СВЧ ПТ1 на ваАз. Учет саморазогрева канала и влияния температуры окружающей среды
2.9.1. Определение температуры в канале ПТШ.
2.9.2. Температурные зависимости параметров ваАз и барьера Шоттки
2.9.3. Определение теплового сопротивления мощного ПТШ
2.9.4. Экспериментальная проверка результатов расчета ВАХ, зависимостей элементов СВЧ ЭС ПТШ от режима смещения и Бпараметров при прямом монтаже кристалла ПТШ
2.9.5. Предельные усилительные характеристики 0 мкм ПТП.
2.9.6. Сравнение результатов моделирования и измерения параметров ПТШ на структурах п п ваАв, выращенных по технологии МЛЭ
2 Температурные изменения параметров ОаАз ПТШ
2 Влияние субмикрон ной длины затвора на характеристики ОаАз ПТШ
2 Расчет характеристик ПТШ на нитриде галлия.
2 Выводы по Главе 2
Глава 3. Разработка ПТ на ОаАз и гетероструктурах АЬОаАзОаАз, АЬОаАзпОаАзОаАз
3.1. Постановка задачи.
3.2. Разработка мощного гетероструктурного ПТ
3.3. Разработка МЛЭ структуры аналогСАГМК.
3.4. Разработка мощного псевдоморфного ПТ.
3.5. Выводы по Главе
Заключение
Библиографический список используемой литературы
Приложение 1 Основы расчета характеристик ПТШ и усилителя на его основе,
заложенные в программу РОЬЕУМ.
Приложение 2. Разработка ме тода определения профилей легирования и подвижности структур ПТ со сверхтонкими слоями
Приложение 3. Определение параметров барьера Шоттки.
Приложение 4. Определение удельного сопротивления омического
контакта
Приложение 5. Разработка метода упрощенных тепловых эквивалентов для расчета теплового сопротивления транзистора и элементов ГИС и МИС СВЧ. 1 Приложение 6. Применение разработанных моделей пассивных элементов и физикотопологической модели ПТШ при разработке квазимонолитных усилителей мощности на арсениде галлия
Введение
Актуальность


В диапазоне частот свыше ГГц необходимо учитывать потери и дисперсию в СМПЛ , которыми пренебрегают в большинстве работ , , , . В ряде работ , , учтены потери и дисперсия при расчете СМПЛ и НО Ланге, но при этом используются эмпирические коэффициенты, полученные для конкретных геометрий и диэлектриков, и недостаточно строго учитываются частичные емкости СМПЛ и НО Ланге. В данной работе и в диссертантом устранена неточность расчета погонной емкости при расчете нечетной моды, допущенная авторами в модели , получены формулы для расчета потерь в полосках на четной и нечетной модах, учтены диэлектрические потери и дисперсия волнового сопротивления и эффективной диэлектрической проницаемости для СМПЛ и НО Ланге с четным числом СМПЛ. Использована 8матрица отрезка двухпроводной СМПЛ для анализа характеристик НО Ланге с четным числом СМПЛ. Проведено сравнение результатов расчетов по разработанным моделям СМПЛ и НО Ланге и результатов экспериментов на подложках из арсенида галлия и различных диэлектриков ГИС СВЧ, которое подтверждает справедливость разработанных диссертантом моделей, по крайней мере, в диапазоне частот до ГГц. Применение спиральных индуктивностей СИ позволяет компактно реализовать гибридные и монолитные схемы СВЧ. Используя разработанные модели ОМПЛ и СМПЛ, диссертант разработал модель прямоугольной спиральной индуктивности с целым или нецелым числом витков , которая адекватно отражает измеренные характеристики СИ в диапазоне СВЧ. Моделирование одиночной микрополосковой линии Одиночная МПЛ представлена на рис. Полоски имеют толщину и ширину верхняя а нижняя А. Металлизация характеризуется удельным объемным сопротивлением ру. Высота подложки . Подложка характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью г и тангенсом диэлектрических потерь . Модель МПЛ в квазистатическом ТЕМ приближении В данной работе для определения погонной емкости использованы аналитические формулы для погонной емкости МПЛ с шириной ЛИНИИ , толщиной металлизации на подложке с диэлектрической проницаемостью г. По оценкам этих авторов и . МПЛ нормировку вида С,ао С,ао. Сг. Рисунок 1. Микрополосковая линия. Таблица 1. Сравнение статических параметров МГЛ на ОаАэ ег. И ООмкм, 1 3 мкм. Рисунок 1. Зависимость статических параметров МПЛ на ваЛБ г. Рисунок 1. Зависимость статических параметров МПЛ на поликоре кг 9,6 от и И. С,аоС,ссо
где волновое сопротивление свободного пространства, Ом. Реальная микрополосковая линия имеет толщину металлизации , при учете ее происходит изменение значений ф и ри. В литературе приводятся различные формулы для 5 . Используя в формулах 1. ТЕМ значений ф и р0. В табл. Сф и ра рассчитанных по формулам 1. Н.А. Е. О. В.В. Радченко 7, широко используемым в известных прораммах расчета СВЧ схем, например I ii, iv i, 7 и т. Из таблицы следует, что формулы 1. МПЛ на арсениде галлия более точные значения г. Н.А. Аппроксимационные формулы Е. О. В. В. Радченко при 0,1 дают завышенные до 5 значения роу при этом отличие значений ф не более 1 . На рис. МПЛ на поликоре ег 9,6. Отметим, что диэлектрическая проницаемость поликора находится в диапазоне 9,,2 5, . На основе работ 9 . МПЛ, однако изза выше указанного ограничения, эти формулы при малых и при больших сг занижают потери в МПЛ. В данной работе автором па основе выражений для погонной емкости 1. Роехр 2 1. Р0 мощность на входе в МПЛ 0, у и V постоянная распостранения, где и коэффициент затухания, v коэффициент фазового набега на единицу длины, мнимая единица. V , где комм , 1. ГГц. Рассмотрим последовательно вклад этих составляющих. У5 и 1з2 поверхностные токи в верхнем и нижнем проводниках МПЛ, 1 общий ТОК, Руд удельное объемное сопротивление металлизации в Оммм, частота в ГГц. Гак как выражения для токов в общем случае не известны, то в ТЕМприближении следуя Я. А. Рисе1 е1 а1. МПЛ. В этом случае выражение 1. I дт
где , я нормаль к поверхности проводника. Для немагнитных подложек в ТЕМприближении погонная индуктивность
где С 1,а определим в 1. Пренебрегая различием Я1 и Яз2у получим следующее выражение для гг,. И ди д
С учетом формул 1.