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 2D-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 A111BV
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%.