МОДЕЛИРОВАНИЕ HEMT-ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN

МОДЕЛИРОВАНИЕ HEMT-ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN

Чугунов Сергей Владимирович

ст. преподаватель кафедры физики, Брестский государственный технический университет,

Республика Беларусь, г. Брест

Чугунова Элеонора Валерьевна

учитель физики, ГУО «Гимназия №4, г.Бреста»,

Республика Беларусь, г. Брест

Чугунов Андрей Сергеевич

студент, Брестский государственный технический университет,

Республика Беларусь, г. Брест

MODELING HEMT TRANSISTORS BASED ON HETEROSTRUCTURES ALGAN

Sergey Chugunov

Senior lecturer at the Department of Physics, Brest State Technical University,

 Belarus, Brest

Eleanora Chugunova

Teacher of physics, GUO "Gymnasium No. 4, Brest,"

Belarus, Brest

Andrei Chugunov

Student, Brest State Technical University,

Belarus, Brest

АННОТАЦИЯ

В представленной работе было проведено моделирование HEMT транзисторов на основе гетероструктур GaN с помощью программного комплекса FITES. Изменяя концентрацию Al в поверхностном слое проводилась оценка вольт - амперной характеристики транзисторов при различных исходных условиях.

ABSTRACT

In the presented work, HEMT transistors based on GaN heterostructures were simulated using the FITES software package. By varying the Al concentration in the surface layer, the volt – ampere characteristics of the transistors were estimated under various initial conditions.

Ключевые слова: HEMT транзистор, полупроводники, гетероструктура, вольт - амперная характеристика.

Keywords: HEMT transistor, semiconductors, heterostructure, volt – ampere characteristic.

В последние десятилетия активно разрабатываются HEMT-транзисторы, представляющие собой полевые транзисторы, в которых для создания канала используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны.

В данной работе представлено моделирование транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе гетероструктур GaN с помощью программного продукта FETIS.

Программное обеспечение FETIS ™ разработано для моделирования полевых транзисторов с высокой электронной подвижностью на основе нитрида III группы (HEMT). Он включает в себя 1D симулятор зонной диаграммы и распределение потенциала по гетероструктуре устройства и графическую оболочку, обеспечивающую удобную работу с кодом и визуализацию результатов моделирования. В FETIS ™ имеются как квазиклассическое, так и точное квантово-механическое рассмотрение удержания несущей в структуре НЕМТ, основанной на самосогласованном решении уравнений Пуассона и Шредингера. Этот код позволяет предсказать такие важные характеристики и параметры HEMT, как профиль концентрации носителей, концентрация носителей листа, число и энергетическое положение двумерных подзон электронов и дырок и т. д., а также их изменение при смещении затвора.

Программное обеспечение FETIS позволяет с хорошей точностью моделировать полевые транзисторы из нитридов 3 группы, учитывая пьезоэффект слоев, используя квантово механическое описание движения носителей, учитывая поверхностные эффекты. Именно этот программный комплекс применялся в нашей работе для оценок ВАХ транзисторов при различных исходных условиях.

Для расчетов была выбрана гетероструктура, геометрия которой показана на рисунке.

Рисунок 1. Схема транзистора

При моделировании транзисторов были выбраны две толщины слоев GaN 100 и 160 нм, что согласуется со значениями реальных устройств [1]. Концентрацию Al в верхнем слое AlGaN изменяли от 20 до 40%. Исследование проводили при разных значениях напряжений затвора: 0 В, -1 В, -2 В, -3 В, -4 В и -5 В. В результате моделирования были рассчитаны вольт–амперные характеристики HEMT–транзисторов, зависимости проводимости канала от напряжения стока и зависимости тока насыщения исток–стока от концентрации Al.

Результаты расчетов показаны в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Зависимость тока насыщения исток-стока и напряжения стока при достижении тока насыщения от концентрации Al при толщине слоя GaN равном 100 нм

Таблица 2.

Зависимость тока насыщения исток-стока и напряжения стока при достижении тока насыщения от концентрации Al при толщине слоя GaN равном 160 нм

Из таблиц 1 и 2 видно, что увеличение мольной доли алюминия в барьерном слое AlGaN приводит к возрастанию плотности стокового тока транзистора. Это понятно, поскольку увеличение доли алюминия -х расширяет запрещенную зону AlGaN, что описывается формулой [2]:

В результате увеличивается разрыв зон на границе с канальным слоем и увеличивается концентрации носителей в канале.

Анализ данного моделирования продемонстрировал следующие закономерности: 1) при изменении концентрации Al от 20% до 40% при напряжениях затвора 0 В, -1 В, -2 В, -3 В, -4 В и -5 В ток насыщения исток-стока увеличивается соответственно на 5,41 А/м, 4,67 А/м, 3,95 А/м, 3,16 А/м, 2,33 А/м и 1,6 А/м для толщины слоя GaN 100 нм; 2) при изменении концентрации Al от 20% до 40% при напряжениях затвора 0 В, -1 В, -2 В, -3 В, -4 В и -5 В ток насыщения исток-стока увеличивается соответственно на 5,79 А/м, 5,06 А/м, 4,31 А/м, 3,64 А/м, 2,69 А/м и 1,86 А/м для толщины слоя GaN 160 нм.

Как видим ток насыщения исток-стока несколько больше для толщины слоя GaN 160 нм, чем для 100 нм. Разница между значениями тока насыщения исток-стока при соседних значениях напряжений затвора возрастает при уменьшении отрицательного напряжения на затворе. Также эта разница возрастает при изменении концентрации Al от 20% до 40%. Эта разница немного больше для слоя GaN 160 нм. При большей разнице усилительные характеристики малосигнальных HEMT-транзисторов лучше.

Максимальное значение напряжения стока, при котором наступает насыщение, соответствуют напряжению затвора 0 В и концентрации Al в слое 40% и для толщин слоя GaN 100 нм и 160 нм равно соответственно 15,6 В и 16,2 В. Минимальное значение напряжения стока, при котором наступает насыщение, соответствуют напряжению затвора -5 В и концентрации Al в слое 20% и для толщин слоя GaN 100 нм и 160 нм равно соответственно 0 В и 0 В. Напряжение стока, при котором наступает насыщение, возрастает при увеличении концентрации Al в слое при заданном напряжении затвора. Чем больше напряжение стока, при котором наступает насыщение, тем круче возрастает соответствующий участок кривой ВАХ. Это улучшает характеристики и повышает КПД мощных HEMT-транзисторов.

Список литературы:

1. Тихомиров, В.Г. Оптимизация параметров НЕМТ-гетероструктур GaN/AlN/AlGaN для СВЧ транзисторов с помощью численного моделирования / В. Г. Тихомиров [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2016. – Т. 50, вып.2. – С. 245-249.
2. Ворсин, Н.Н. Аналитические соотношения для ВАХ HEMT на основе GaN / Н.Н. Ворсин [и др.] // Вестник БрГУ. – 2018. – Т. 4. – С. 26-31.