Бувайлик Є В, Мартинов Я Б, Погорєлова Е В Федеральне державне унітарне підприємство «НВП« Исток »Вокзальна, 2а, м Фрязіно, 141190, Росія факс: (495) 4658686, e-mail: istkor @ elnetmskru

Анотація – Вимірювання напруги пробою затвор-стік в субмікронних польових транзисторах із затвором Шоттки на GaAS, а також у гетероструктур них ПТШ виявили залежність цієї напруги від потенціалу затвора, що суперечить як найпростішої теорії, так і проведеним раніше подібним вимірам на кремнієвих ПТШ У даний роботі це протиріччя пояснюється за допомогою чисельного моделювання двох типів польових транзисторів

I                                       Введення

Величина напруги пробою між електродами затвора і стоку (Замазці) обмежує максимальну вьюокочастотную потужність, яку можна отримати від транзистора з прийнятною ефективністю

[1]     Тому ПОНЯТНО увагу, що приділяється вимірюванню ЦІЙ величини Виміри, що проводяться для GaAs польових транзисторів з субмікронними затворами Шоттки (ПТШ), На відміну від ПТШ, виготовлених на Si, дають незвичайні результати

II                      Основні результати

Справа В ТОМУ, ЩО, виходячи з припущення про незалежність напруги Замазці ВІД потенціалу затвора, вольтамперні характеристики транзистора повинні виглядати, як показано на рис1

Рис 1 Типові ВАХ ПТШ

Fig 1 Typical MESFET voltage-current characteristics

Напруга витік-стік, при якому спостерігається різке збільшення струму затвора, тобто пробою проміжку затвор-стік, має зменшуватися в міру зростання абсолютної величини потенціалу затвора Подібне природне поведінку і спостерігалося завжди для кремнієвих ПТШ Виміряні ВАХ субмикронного GaAs ПТШ зображені на рис2 [2] З рис2 видно, що різке зростання струму ІСТОК-СТОК спостерігається при напрузі ІСТОК-СТОК (УІС), рівному 7 В для ВАХ, виміряної при потенціалі затвора (LI3), рівному -1 В при УІС = 14 В для Уз = -2 В при УІС = 17 В для Уз = -3 В Якщо звязати ЦЕ різке збільшення струму витік-стік з появою додаткового струму в ланцюзі затвор-стік, Т е з пробоєм проміжку затвор-стік, що зазвичай І робиться, то видно, що напруга пробою ЦЬОГО проміжку залежить від потенціалу затвора і змінюється від 7 В при Уз = -1 В до 17 В при Уз = -3 В

Для того, щоб зрозуміти процеси, що призводять до появи НАСТІЛЬКИ незвичайної залежності напруги пробою затвор-стік, було проведено чисельне моделювання ПТШ за допомогою рівнянь квазі-гідродинамічної моделі (КГМ) [3] Для цього використовувалася програма TREADA, заснована на різницевої схемою [4] і дозволяє отримувати чисельні рішення рівнянь КГМ для двох типів носіїв (електронів і дірок) і транзисторів, містять кілька різнорідних матеріалів (Гете-роструктурних транзисторів) Рівняння КГМ дозволяють також врахувати сплеск дрейфовой швидкості електронів, чітко впливає на що розраховуються характеристики субмікронних GaAs транзисторів [6] Швидкість генерації електронно-доручених пар задавалася у вигляді, запропонованому в роботі [7]

Рис 2 Виміряні ВАХ субмикронного GaAs ПТШ

Fig 2 Submicron CaAs MESFET measured voltage- current characteristics

Ha рис3 (а, 6) наведено розраховані ΒΑΧ го-моструктурного ПТШ на арсеніді галію з довжиною затвора Сз = 05 мкм, товщиною сильнолегованого ШАРУ А = 01 мкм, концентрацією донорів у ньому Nd = 17 * 10 ^ ^ CM · ^ На рис4 (а, б) наведено розраховані ВАХ гетероструктурних ПТШ на гетеропари GaAs – Alo3Gao7As з ДОВЖИНОЮ затвора L3 = 05 мкм Ширина затвора обох транзисторів W = 1мм

Рис 3 ВАХ стоку (а) і затвора (б), розраховані для звичайного MESFET

Fig 3 MESFET drain (a) and gate (b) simulated voltage-current characteristics Визначимо напругу пробою затвора (точніше проміжку затвор-стік), як це зазвичай робиться при експериментальних вимірах Будемо вважати, ЩО У модельному транзисторі почався пробій затвора, якщо через нього тече струм -10 мА / тт

Порівнюючи затворні і стокові ВАХ гомострук-турне і гетерострукгурного транзисторів, бачимо, що певна таким чином напругу пробою затвора залежно від потенціалу затвора поводиться якісно однаково для обох типів ПТШ У повній відповідності з експериментом, напруга пробою проміжку затвор-стік спочатку зростає з ростом абсолютної величини потенціалу затвора Проте потім, при досягненні деякого критичного значення, LI3 або майже перестає змінюватися відповідно до найпростішої теорією (рис 4), або спочатку падає, а потім перестає змінюватися (рісЗ) Навіть характер залежності струму затвора від напруги витік-стік до і після досягнення критичного значення LI3 (Узкр) різний: більш плавний до досягнення Узкр і різкий після досягнення Узкр

Рис 4 ВАХ стоку (а) і затвора (б), розраховані для гетероструктурних транзистора

Fig 4 HFET drain (а) and gate (b) calculated voltage-current characteristics

III                                       Висновки

Проведені розрахунки показали, що хоча, як і слід було очікувати, струм, поточний через затвор, утворений дірками, розподіл його щільності уздовж цього електрода сильно залежить від величини U3 При | з | < | ізкр | щільність струму максимальна у ис-токового краю затвора. При | з |> | ізкр | щільність струму максимальна у стокового краю затвора

У першому випадку джерело народжуються дірок розташований в домені сильного електричного поля, що зявляється в підкладці під затвором і що досягає стокової сильнолегованого області Щільність джерел максимальна в частині домену у стоку, і народжені тут дірки захоплюються електричним полем і с в підкладку Доля потрапили в підкладку дірок різна Частина їх (велика) накопичується в підкладці біля витоку і рекомбинирует з виходять з витоку електронами Такий струм називається лавинно-інжекційном [8,9] Інша частина дірок перехоплюється негативним потенціалом затвора, створюючи максимум густини струму у истокового краю затвора Таким чином, при | з | < | Ізкр | затвор ще не пробився, створені потенціалом затвора поля ще не достатньо великі, щоб струм дірок став помітний. Вимірюваний в цій області значень | з | ток затвора - це перехоплений ток лавинної інжекції. Відомо, що домен сильного поля утворюється рухомими від витоку до стоку електронами [10]. Його розмір уздовж лінії струму тим менше, чим більше струм З іншого боку, майже вся прикладена між витоком і стоком різниця потенціалів падає на домені. Тому із зростанням негативного потенціалу затвора струм через домен зменшується, а лінійний розмір останнього зростає. Таким чином, та ж щільність джерел дірок і, отже, величина затворного струму досягається при більшій різниці потенціалів витік-стік, що і призводить до удаваному зростанню пробивної напруги проміжку за-твор-стік Коли негативний потенціал затвора стає досить великим (| з |> | ізкр |), великі створені потенціалом затвора поля, і саме вони породжують весь затворний ток Максимум щільності джерел дірок, породжених ударної іонізацією, збігається з максимумом електричного поля, який в цьому режимі розташований у стокового краю затвора Домен сильного поля або зовсім відсутня, або сильно пригнічений потенціалом затвора У міру того як домен зникає, пропадає і залежність пробивної напруги проміжку затвор-стік від потенціалу затвора Таким чином, найпростіша теорія пробою починає працювати і для субмикронного ПТШ на арсеніді галію при | з | »| ізкр |

Робота виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень (проект 04 – 02-17177)

IV                           Список літератури

[1] Є В Бувайлик, Я Б Мартинов, Е В Погорєлова Дослідження фізичних механізмів, що обмежують максимальну потужність і ефективність польових транзисторів з барєром Шоттки / / Радіотехніка, т4, 2004, № 2

[2] М Fukuta, Т MImura 4-GHz 15-W Rover GaAs MESFET / / IEEE Trans Electron Dev, 1978, v ED-25, N6, p559

[3]  K Blotekjaer Transport Equations for Eletrons in Two-Velley Semiconductors//IEEE Trans El Dev1970, v ED-17, N1, p38

[4] Я Б Мартинов Спеціальний вид граничних умов для системи рівнянь низькотемпературної напівпровідникової плазми ЖВМ та МФ, 1999, № 2, с309-314

[5]  J G Ruch Electron Dinamics in Short Chanel Field-Effect Transistors// IEEE Trans El Dev 1972, v ED-19, N 5, p652- 654

[6] AA Кальфа, A Б Пашковський, AC Тагер Дослідження вольт-амперних характеристик польових транзисторів з субмікронних затвором / / Електр Техн

Сер1 Електроніка СВЧ, 1984, В4 (364) С27-30

[7] Є В Бувайлик, Я Б Мартинов, Е В Погорєлова Модель лавинного пробою, застосовна в сильно неоднорідних електричних полях / / Радіотехніка, тз, 2006, с51-53

[8] N А Kozlov, У В Martynov, VF SInkevltch, А S Тадег,

V F Vashchenko Negative Differential Conductivity and Isothermal Drain Breakdown of GaAs MESFETs IEEE Trans Electron Dev, 1996, v ED-43,№ 4, p 513-518

[9] EB Бувайлик, Я Б Мартинов, Е В Погорєлова Лавін-но-прольотна нестійкість і зниження пробивної напруги шаруватих напівпровідникових структур / / Тези доповідей «КриМіКо 2004», стор 166-167 Севастополь

[10] L F Eastman, S Tllwah and М S Shur Design criteria for GaAs MESFETs related to stationary high field domains / / Solid State Electronics, 1980, V 23, pp383-389

EXPLANATION OF UNUSUAL DEPENDENCE OF GATE-DRAIN BREAKDOWN VOLTAGE ON GATE POTENTIAL IN SUBMICRON MESFETS

Buvaylik E V, Martynov Y B, Pogorelova E W FSUE RPC «Istok»

Vokzalnaya, 2a, Fryazino, 141190, Russia Ph: (495) 4658620, e-mail: istkor@elnetmskru

Gate-drain breakdown voltage measurements for submicron MESFETs and HFETs reveal the dependence of this voltage on gate potential This fact conflicts with the simple theory and with the same measurements carried out for silicon MESFETs We attempt to overcome this conflict using MESFET, HFET numerical simulation

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р