110304_23Ф0049_презентация_-Суворов (1)

1.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«МИРЭА –Российский технологический университет»
РТУ МИРЭА
Филиал РТУ МИРЭА в г. Фрязино
Кафедра общенаучных дисциплин
ОТЧЁТ ПО ОЗНАКОМИТЕЛЬНОЙ ПРАКТИКЕ
по направлению бакалавров 11.03.04 "Электроника и наноэлектроника"
по теме: "Математическое моделирование транзисторных гетероструктур и СВЧ
полевых транзисторов на их основе"
Обучающийся группы ФЭБО-01-23:
Суворов Георгий Сергеевич
Руководитель практики от кафедры:
Лобанова Александра Валериевна
Руководитель практики от профильной организации:
ведущий инженер Карпов Сергей Николаевич

2. Цель и задачи

Целью
ознакомительной
практики
являлось
изучение
моделей,
используемых
при
проектировании GaAs-гетероструктур и транзисторов на их основе, а также прогнозирование
их электрофизических характеристик.
Задачи, решаемые в ходе ознакомительной практики:
• Изучение метода конечных разностей (МКР), используемый для решения одномерного
уравнения Пуассона, реализация алгоритма решения и подготовка численной реализации.
• Изучение принципов работы HEMT (Транзистор с высокой подвижностью электронов).
• Построение графиков профилей распределения носителей заряда в GaAs-гетероструктурах.

3. Введение

В
настоящее
время
технический
прогресс,
проявляющийся
в
цифровизации
промышленности и социума, неразрывно связан с передачей огромного количества
информации.
Новые технологии, такие как искусственный интеллект, big data, нейросетевая обработка
требуют увеличения, как и рабочих частот каналов связи, так и их пропускной способности.
Основными материалами, используемыми при проектировании транзисторных гетероструктур
и СВЧ полевых транзисторов на их основе, отвечающих подобным требованиям, являются
арсенид галлия и нитрид галлия.

4. Виды GaAs-гетероструктур

а) Прямая структура
б) Обращенная
в) Двойная гетероструктура

5. Простая GaAs-структура без легирования

Простая GaAs-структура без легирования — несимметричная гетероструктура с
переходом от широкозонного материала к узкозонному, без введения дополнительных
легирующих примесей. Переход AlGaAs/GaAs приводит к образованию потенциального
барьера для электронов и потенциальной ямы на стороне GaAs, однако из-за отсутствия
ионизированных доноров плотность носителей остаётся крайне низкой.
Электрическое поле, возникающее вследствие перераспределения зарядов, ограничено по
величине, и 2DEG, как правило, не формируется.

6. δ-легированная структура с двойным гетеропереходом (DpHEMT)

Структура представляет собой гетероструктуру, в которой по обе стороны от канала,
вблизи границ раздела AlGaAs/GaAs, располагаются узкие слои высокой концентрации
донорных примесей — δ-слои.
Из-за высокой концентрации доноров в δ-слое и благоприятного соотношения зонной
структуры происходит ионизация доноров и миграция электронов в слой GaAs, где они
остаются локализованными в узкой потенциальной яме, образуя двумерный электронный
газ.
Это
приводит
пространственного
к
высокой
разделения
подвижными электронами.
плотности
между
и
центрами
подвижности
рассеяния
носителей
за
счёт
(ионами-донорами)
и

7. Двойная асимметричная δ-легированная структура (DA-DpHEMT)

Двойная асимметричная δ-легированная структура (DADpHEMT)
DA-DpHEMT — усовершенствованную версию δ-легированных гетероструктур, в
которой реализованы два δ-слоя с разной концентрацией донорных примесей и/или
различным удалением от канала двумерного электронного газа (2DEG). Один из δ-слоёв
располагается ближе к гетероинтерфейсу AlGaAs/GaAs, а другой — глубже в слое AlGaAs
или симметрично в противоположной части структуры.
В дополнение к δ-слоям в конструкцию могут вводиться слои с акцепторной легировкой,
которые способствуют дополнительной локализации носителей заряда и формированию более
чёткой потенциальной ямы.

8. Численная реализация моделирования поперечного транспорта носителей заряда

Численное моделирование задачи поперечного переноса основывалось на применении
метода конечных разностей (МКР) применительно к решению уравнению Пуассона.
Дискретизация второй производной может быть осуществлена с представлением ее в виде
численного аналога:

9. Итерационное решение Пуассона в 1D случае

Электростатический потенциал в гетероструктурах GaAs описывается одномерным уравнением
Пуассона:
Из-за сложности аналитического решения применяется численный метод — метод конечных
разностей:
Плотность заряда ρ(x)\rho(x)ρ(x) учитывает вклад свободных носителей, ионов и поляризационных
зарядов, и обновляется итеративно при самосогласованном решении с уравнением Шрёдингера.
Метод применяется для расчёта потенциала и характеристик 2DEG в структурах типа DpHEMT и
DA-DpHEMT.

10. Паспорт моделируемой GaAs-HEMT структуры:

11. Моделирование электрофизических характеристик GaAs HEMT структуры

Моделирование электрофизических характеристик GaAs
HEMT структуры
(Зависимость поверхностной концентрации
носителей заряда в канале структуры от
напряжения на затворе в GaAs-HEMT)
(Зонная диаграмма (синяя сплошная), положение первых трех энергетических уровней
(красная, зеленая и фиолетовая сплошные линии), соответствующие им квадраты
волновых функций (не в масштабе), и профиль концентрации электронов (черная
сплошная) в GaAs HEMT.)

12. Паспорт моделируемой DA-DpHEMT структуры

13. Моделирование электрофизических характеристик DpHEMT структуры

(Зависимость поверхностной концентрации носителей заряда в
(Зонная диаграмма (синяя сплошная), положение первых трех энергетических уровней
канале структуры от напряжения на затворе в DpHEMT)
(красная, зеленая и фиолетовая сплошные линии), соответствующие им квадраты
волновых функций (не в масштабе), и профиль концентрации электронов (черная
сплошная) в GaAs DpHEM)

14. Паспорт моделируемой DpHEMT структуры

15. Моделирование электрофизических характеристик DA-DpHEMT структуры

Моделирование электрофизических характеристик DADpHEMT структуры
(Зависимость поверхностной концентрации носителей заряда в
(Зависимость поверхностной концентрации носителей
канале структуры от напряжения на затворе в DA-DpHEMT.)
заряда в канале структуры от напряжения на затворе в
DA-DpHEMT)

16. Сравнение исследуемых транзисторов

(Токи насыщения исследуемых транзисторов. Точками отмечены
(Крутизны передаточных характеристик исследуемых
расчетные значения, линиями – аппроксимирующие кривы)
транзисторов.)

17. Заключение

Общая тенденция, выявленная в ходе моделирования, заключается в том, что увеличение
степени легирования и усложнение архитектуры гетероструктуры (переход от простой δструктуры к двойной асимметричной) приводит к значительному улучшению характеристик, в
первую очередь, росту плотности электронов и усилению локализации, что напрямую
отражается на проводимости и высокочастотных свойствах.
Благодаря высоким значениям подвижности носителей, точному контролю зонной
инженерии и высокой чувствительности к внешним воздействиям, они лежат в основе
современных усилителей, генераторов, датчиков и фотонных элементов.