Моделювання субмікронних гетеротранзисторів з низькорозмірними системами
DSpace at NTB NTUU KPI
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Моделювання субмікронних гетеротранзисторів з низькорозмірними системами
|
|
| Creator |
Фалєєва, Олена Михайлівна
|
|
| Description |
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України «КПІ», Київ, 2011. Вперше розроблено двовимірні математичні моделі та алгоритми для аналізу процесів дрейфу носіїв заряду у гетероструктурних транзисторах з квантовими точками, встановлено механізм підвищення дрейфової швидкості носіїв заряду у гетеротранзисторі з квантовими точками з урахуванням розмірного квантування. За допомогою двовимірної чисельної моделі вперше отримані розподіли потенціалу, дрейфової швидкості, електронної температури, концентрації рухливих носіїв заряду і ін. для гетеротранзисторів з КТ. Показано, що дрейфова швидкість у каналі гетеротранзистора з КТ зростає у порівнянні з гетеротранзистором без КТ внаслідок інжекції «холодних» електронів з квантових точок внаслідок ударної іонізації і тунелювання, а у разі, коли відстань між гетероконтактом і шаром КТ менше довжини хвилі оптичного фонона - за рахунок квантування фононного спектру. При переважному розташуванні КТ у стокового краю затвора дрейфові швидкості носіїв заряду у каналі вищі, а середні значення дрейфової швидкості у 1,5 рази перевищують ті ж значення для транзистора з КТ, розташованими в області витоку; показана залежність швидкості і концентрації носіїв заряду у каналі від ширини квантової ями і розмірів квантових точок. Крім того, зростання дрейфової швидкості і перерозподіл концентрації носіїв спостерігається у двоканальному гетеротранзисторі з КТ. На основі результатів фізико-топологічного моделювання розроблено схемотехнічні моделі, що дозволяють розраховувати і аналізувати малосигнальні та шумові параметри субмікронних і нанорозмірних багатоканальних гетероструктур з квантовими точками, придатні для оптимізації фізико- топологічних параметрів транзисторів. Отримані моделі дозволяють враховувати вплив на вихідні характеристики топології, геометричних розмірів і концентрації квантових точок, параметрів гетеропереходів, включаючи неоднорідності гетероструктур у третьому вимірі. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – твердотельная электроника. – Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев, 2011. В работе представлены разработанные впервые двумерные алгоритмы и модели для анализа процессов дрейфа носителей заряда в гетероструктурных транзисторах с квантовыми точками, установлен механизм повышения дрейфовой скорости носителей заряда в гетеротранзисторе с квантовыми точками с учетом размерного квантования. При помощи двумерной численной физико-топологической модели были получены распределения потенциала, дрейфовой скорости, электронной температуры, концентрации подвижных носителей заряда и т.д. для гетеротранзисторов с КТ. Показано, что дрейфовая скорость в канале гетеротранзистора с КТ растет по сравнению с гетеротранзистором без КТ за счет инжекции «холодных» электронов из квантовых точек вследствие ударной ионизации и туннелирования, а в случае, когда расстояние между гетероконтактом и слоем КТ меньше длины волны оптического фонона 21 – за счет разделения фононного спектра. При преимущественном расположении КТ у стокового края затвора дрейфовые скорости носителей заряда в канале выше, а средние значения дрейфовой скорости в 1,5 раза превышают те же значения для транзистора с КТ, расположенными в области истока; показана зависимость скорости и концентрации носителей заряда в канале от ширины квантовой ямы и размеров квантовых точек. Кроме того, рост дрейфовой скорости и перераспределение концентрации носителей наблюдается и в двухканальном гетеротранзисторе с КТ. Представленная в работе физико-топологическая модель позволяет находить оптимальные параметры гетеротранзисторов с квантовыми точками, такие, как ширина канала, концентрация примеси, размеры активной области, а также плотность, размеры и место расположения КТ в канале. На основе результатов физико-топологического моделирования разработаны схемотехнические модели, позволяющие рассчитывать и анализировать малосигнальные и шумовые параметры субмикронных и наноразмерных многоканальных гетероструктур с квантовыми точками, также пригодные для оптимизации физико-топологических параметров транзисторов. Полученные модели позволяют учитывать влияние на выходные характеристики топологии, геометрических размеров и концентрации квантовых точек, параметров гетеропереходов, включая неоднородности гетероструктур в третьем измерении. С помощью аппарата для анализа шумовых характеристик активных компонентов проведен расчет шумов гетеротранзистора с КТ. Примененное в работе физико-топологическое моделирование позволяет учесть вклад в шумы транзистора новых факторов – квантовых точек. При увеличении размеров КТ коэффициент шума транзистора будет расти за счет захвата свободных носителей в КТ с их последующей эмиссией, что приводит к росту времен перезарядки паразитных емкостей, а, следовательно, к росту шума, наведенного на затворе, и, также, к росту дробового шума канала. В гетероструктурном транзисторе с квантовыми точками наиболее существенное влияние на расхождение результатов моделирования и экспериментальных данных оказывает неоднозначность расположения квантовых точек в канале и флуктуация их размеров, которые связаны с процессами их выращивания. При одинаковых поверхностных концентрациях КТ могут быть получены разные выходные токи, так как процессы ионизации КТ для каждой структуры будут проходить по-разному. Неоднозначность в расположении КТ в канале и в задании ряда электрофизических параметров определяет погрешность вычислений, которая лежит в пределах инженерной и составляет 10-20%. Уточнение параметров разработанной физико-топологической модели, в том числе, и подбор адекватного расположения КТ в канале, возможно при проведении серии измерений выходных характеристик тестовой структуры исследуемого транзистора. Как показали экспериментальные исследования, применение гетеротранзисторов с КТ позволяют улучшить скоростные свойства структур. Кроме того, результаты физико-топологического моделирования показывают, что улучшаются также шумовые свойства и повышается выходная мощность данных транзисторов по сравнению с аналогичными структурами без квантовых точек. Показано улучшение частотных характеристик гетеротранзистора с КТ по сравнению с гетеротранзисторами без КТ за счет большей крутизны транзистора. Коэффициент усиления по мощности увеличивается на 15-20%, а коэффициент усиления по напряжению – примерно в три раза, в зависимости от размеров и частоты расположения КТ. Это расширяет возможности использования таких транзисторов в малошумящих мощных и быстродействующих преобразовательных устройствах КВЧ-диапазона, в частности, в малошумящих усилителях, выходных каскадах мощных цепей, в интегральных цифровых и аналоговых схемах. Предложенные модели ориентированы как на исследование физических характеристик транзисторных структур, так и на проектирование электронных субмикронных и нанометровых гетероструктурных компонентов монолитных интегральных схем. Параметры структур, полученные на основе проведенного в работе двумерного физико- топологического моделирования, могут использоваться в пакетах схемотехнического проектирования КВЧ ИС, для оптимизации параметров полупроводниковых структур и их технологии. Например, оптимизация может проводиться с точки зрения изменения топологических параметров пассивных областей с целью достижения условий согласования. Дальнейшее развитие модели связано, прежде всего, с учетом влияния поперечного транспорта на характеристики исследуемых транзисторов, в том числе, на смешение энергетических уровней в квантовой яме и квантовых точках в зависимости от приложенного напряжения, изменения «прозрачности» потенциальных барьеров, учетом «связанности» квантовых точек в продольном направлении, учетом рассеяния на интерфейсных фононах и пр. PhD thesis on specialty 05.27.01 – solid-state electronics. – National technical university of Ukraine «KPI», Kiev, 2011. Algorithms and two-dimensional model for analyze the drift of charge carriers in HEMT with quantum dots were developed, the mechanism of the carriers drift velocity increasing in the heterotransistor with quantum dots taking into account the quantum confinement were established. Distributions for potential, drift velocity, electron temperature, concentration of mobile carriers, etc. for HEMT with QDs with the help of twodimensional numerical model were obtained. It is shown that the drift velocity in the HEMT channel with QDs increases compared with HEMT without QDs due to injection of "cold" electrons from the quantum dots due to impact ionization and tunnelling, and the distance between the heterojunction and a layer of quantum dots is smaller than the wavelength of the optical phonon - due to the quantization of the phonon spectrum. In addition, the increasing of the drift velocity and redistribution of the carrier concentrations observed in double-channel HEMT with QDs. Circuit design model was developed. It’s based on the results of physical-topological model. This model allows calculating and analyzing the small signal and noise parameters of submicron and nanoscale multi-channel heterostructures with quantum dots, it’s suitable for the optimization of physical and topological parameters of transistors. As shown by experimental studies, the use of heterotransistor with QDs can improve the speed properties of transistor structures. In addition, results of physical and topological modelling show that it also improves the noise properties and increases the power gain of transistors compared with their analogues without quantum dots. These improvements in frequency characteristics for HEMT with QDs compared with HEMT without QDs are due to higher transconductance of the transistor. |
|
| Publisher |
НТУУ "КПІ"
|
|
| Date |
2011-06-01T15:06:26Z
2011-06-01T15:06:26Z 2011 |
|
| Type |
Thesis
|
|
| Identifier |
http://library.kpi.ua:8080/handle/123456789/881
|
|
| Language |
uk
|
|