автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние конструктивных и технологических факторов на предельные параметры и режимы работы мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ Роман Григорьевич

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ ДМОП ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2005

Работа выполнена в Воронежском государственном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Асессоров Валерий Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Безрядин Николай Николаевич;

кандидат технических наук Булгаков Олег Митрофанович

Ведущая организация ООО "Воронежский завод полупроводниковых

приборов - сборка", г.Воронеж

Защита состоится "15" ноября 2005 г. в / V часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан "___" октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

<S90k

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие годы полевые транзисторы с изолированным затвором были маломощными приборами, однако разработчиков электронных устройств привлекал ряд их параметров, сходных с параметрами электровакуумных приборов, например высокое входное сопротивление. За последние годы была создана обширная номенклатура мощных транзисторов с изолированным затвором, содержащая десятки типономиналов, по энергетическим и частотным параметрам не уступающих западным образцам.

В настоящий момент конструкция и топология элементарной ячейки транзисторной структуры имеет отличия от классической (подзатворный окисел постоянной толщины), которая приводится в литературе, что делает теорию для классической структуры мощных СВЧ МОП транзисторов лишь частично применимой для расчета параметров современных (подзатворный окисел сложной конфигурации) мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

В последние годы разработчики всех классов полупроводниковых приборов при проектировании используют специальные пакеты программного обеспечения позволяющие проектировать приборы в течение буквально нескольких часов, начиная от топологии и технологических процессов, заканчивая электрофизическими параметрами конечного прибора. Однако специальные пакеты программного обеспечения обладают целым рядом очень важных недостатков.

Наиболее сложным является учет новых физических эффектов, появляющихся при уменьшении длины канала. Так, модель Level 1 была справедлива только для транзисторов с длиной канала более 5 мкм, Level 2 — 2 мкм, Level 3 — 1 мкм, BSIM1 — 0,8 мкм, BSIM2 — 0,25 мкм, BSIM3 — 0,15 мкм, BSIM4 — менее 100 нм. МОП транзисторы имеют разнообразные конструкции и изготавливаются по различным технологиям. Одна и та же программа расчета должна обладать способностью быть настроенной на любую конструкцию и любой техпроцесс путем изменения ее параметров, доступных пользователю.

При проектировании мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой разработчики в основном ориентируются на достижение требуемых малосигнальных параметров, однако малосигнальные параметры не позволяют описать работу мощного СВЧ МОП транзистора в режиме усиления большого сигнала.

Очевидно, насколько важно инженерам, занимающимся проектированием мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой иметь простые аналитические модели для расчета предельных режимов работы приборов, еще на начальном этапе проектирования. ...........

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации являлась разработка аналитических методов расчета предельных параметров работы мощных СВЧ МОП транзисторов в зависимости от напряжения сток-исток иСи, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (ГМОП), еще на начальном этапе проектирования.

Поставленная цель определяет следующие задачи:

1. Разработать аналитический метод расчета теплового сопротивления исток-корпус Лти-к и максимального перегрева АТ в мощных СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой.

2. Исследовать влияние саморазогрева мощных СВЧ МОП транзисторов протекающим током на выходные вольт-амперные характеристики мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (ГМОП).

3. Разработать методы расчета предельного тока стока 1с макс для современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над и п- областью стока между р- ячейками.

4. Разработать методы расчета сопротивления растекания стока на большом сигнале в зависимости от напряжения иСи, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной ДМОП структурой.

5. Теоретически исследовать условия включения паразитного биполярного п+-р-п" транзистора под истоковой областью для мощных СВЧ МОП транзисторов, работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:

1. Разработан аналитический метод расчета теплового сопротивления Лт и-к и максимального перегрева исток-корпус ЛТ в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой с учетом двухслойной структуры - кристалл кремния - керамика ВеО. Рассчитанные значения теплового сопротивления Ят и.к, и максимального перегрева исток-корпус для кристаллов реальных мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой совпадают с экспериментальными с точностью до 10%.

2. Теоретически обоснована возможность образования спадающих участков на экспериментальных выходных вольтамперных характеристика'^ современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированны?,;

коротким п-каналом (1к<1 мкм) из-за уменьшения с температурой дрейфовой скорости насыщения электронов. Выведены в аналитическом виде выходные вольтамперные характеристики для современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким п-каналом (1к<1 мкм) с учетом саморазогрева транзисторов протекающим током стока.

3. Предложен аналитический метод расчета максимального тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока Яс с учетом насыщения дрейфовой скорости электронов в п"-области стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подаатворным окислом переменной толщины над п- областью стока между р- ячейками.

4. Показано, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может оказываться меньше значения при работе на большом сигнале почти в два раза.

5. Предложен численный метод расчета предельного тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа для потенциалов. Показано, что максимальный ток стока, рассчитанный согласно предложенной модели, отличается от экспериментального значения тока стока мощного СВЧ МОП транзистора с вертикальной структурой и с переменным подзатворным окислом менее чем на 20%.

6. Предложен аналитический метод расчета, позволяющий еще на этапе проектирования мощных СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, с учетом топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора.

7. Показано, что в СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами /=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих усилительные параметры прибора (коэффициента усиления по мощности Кур, коэффициента полезного действия стока т]с) возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Аналитический метод расчета теплового сопротивления исток-корпус Ят и-к и максимального перегрева исток-корпус АТ в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП и горизонтальной ГМОП структурами с учетом двухслойной структуры кристалл кремния-керамика.

2. Теоретическое обоснование возможности образования спадающих участков на экспериментальных выходных вольтамперных характеристиках современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким п-канапом (1к<1 мкм) из-за уменьшения с температурой дрейфовой скорости насыщения электронов.

3. Аналитический метод расчета максимального тока стока 1с МАКС и сопротивления растекания стока Яс с учетом насыщения дрейфовой скорости электронов в п'-области стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над п- областью стока между р- ячейками.

4. Теоретический вывод о том, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может оказываться меньше значения при работе на большом сигнале почти в два раза.

5. Численный метод расчета предельного тока стока 1с млкс и сопротивления растекания Ыс стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа для потенциалов.

6. Аналитический метод расчета, позволяющий еще на этапе проектирования мощных полевых СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, с учетом топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора, ухудшающего параметры Кур, г|с-

7. Теоретический вывод о том, что в современных СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами /=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих усилительные параметры прибора, возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Методика расчета максимального тока стока 1с макс, сопротивления растекания стока Яс, теплового сопротивления исток корпус Я? И-к. через конструктивные и технологические параметры структуры транзистора, а также метод, позволяющий на основе топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора, были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв" в ФГУП "НИИЭТ" г. Воронеж, что подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.

Данная работа проводилась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: VII, VIII, X и XI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2001, 2002, 2004, 2005); Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004, 2005); IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2002); VIII и X Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», (Таганрог, 2002, 2004); VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004); научно практическом семинаре «Элементная база специальной силовой электроники» (Воронеж, 2003); научной секции Воронежского государственного университета (Воронеж, 2004,2005).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 статей и 12 материалов докладов на научно-технических конференциях. В совместных работах [1,2,3,4,12,14,17] автору диссертации принадлежат вывод формул и численные расчеты теплового сопротивления исток-корпус, тока стока с учетом саморазогрева, условий включения паразитного биполярного транзистора в структурах мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов. В работах [5,6,7,8,9,10,11,13,15,16] автору диссертации принадлежат построение аналитических методов расчета, численные расчеты и проведение совместных экспериментальных исследований параметров диффузионных слоев, сопротивления стока и максимального тока стока для реальных мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения содержит список цитируемой литературы из 69 наименований, изложена на 137 страницах, включая 55 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и поставлены задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая и научная значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе представлен аналитический обзор по теме диссертации. Подробно рассмотрены конструкции и особенности физических основ работы мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, их вольт-амперные характеристики, предельные параметры.

Показано, что, в настоящий момент конструкция и топология элементарной ячейки транзисторной структуры имеет целый ряд отличий от классической структуры, которая приводится в литературе. Эти отличия делают теорию для классической структуры мощных СВЧ МОП транзисторов лишь частично применимой для расчета параметров современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

Во второй главе на основе модели для расчета теплового сопротивления Иг и максимального перегрева эмиттер-корпус ДТ в структурах мощных биполярных транзисторов (Петров Б.К. 1986 г.) разработан аналитический метод расчета теплового сопротивления Лти-к и максимального перегрева исток-корпус АТ в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой. Этот метод легко адаптируется для расчетов на ЭВМ.

На рис.1 показана структура мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, в которых кристалл кремния электрически изолирован от медного фланца корпуса пластиной из бериллиевой керамики с высоким коэффициентом теплопроводности. На поверхности кристалла кремния п - типа, созданы истоковые секции длинной Ь и шириной Ъ, содержащие истоковые р+ -диффузионные ячейки с диффузионными п+ - истоковыми областями и также сильно легированные поликремневые р+ - затворы над затворным окислом 8Ю2 (над боковыми участками р+ -областей и над п- областью в промежутке между р+ - областями (рис. 2)).

Выделение тепла будет происходить в боковых участках обратно смещенных р+ - п переходов и сопротивлении растекания высокоомного п-слоя 11с. Далее отвод тепла будет осуществляться через кристалл полупроводника, бериллиевую керамику, медный корпус к теплоотводу.

Поскольку в реальных приборах толщина бериллиевой керамики в 5.. 10 раз превышает толщину кристалла полупроводника, то можно применить метод точечных источников в комбинации с методом отражений в двухслойной среде: пластина полупроводника конечной толщины - полуограниченная керамика. Для простоты считаем, что коэффициенты теплопроводности кремния && и керамики квео зависят только от температуры корпуса. С учетом этих допущений задача сводится к решению уравнений теплопроводности без тепловых источников.

Рис. 1. Структура мощного МОП СВЧ транзистора

V Сток

X «

Рис. 2. Поперечное сечение двух истоковых ячеек

Решение уравнений находим с помощью метода точечных тепловых источников, находящихся на плоскости х=0, а затем в результате интегрирования по площади между истоковыми областями получаем распределение температуры в транзисторной структуре. Распределение температуры вдоль верхней плоскости х=0 кристалла кремния под влиянием точечного источника заданной мощности qo, расположенного в точке (у',г',х'=0), описывается выражением

1 ~2К£-—£Ж1_Л (1)

234 л

1-к „/кло

где К --.

В дальнейшем в первом приближении истоковые секции можно считать плоскими прямоугольными источниками тепла длиной £ = Лгл + Л(л+1) и шириной Ъ=ЪЯ, где п - число истоковых ячеек длины Ъя в одной истоковой секции.

За мощность точечного источника в формуле (1) можно принять величину д0 = (Рис /2Ц)с1у'¡к' (2)

где Рнс = 1сис11 - полная мощность, рассеиваемая под одной истоковой секцией, через которую протекает ток ÍC = JCIN, где N - число истоковых секций. Тогда интегрируя выражение (1) с учетом (2) по у' в пределах от -0,52 до 0,52 и по г' в пределах от -0,51 до 0,51, находим распределение температуры вдоль поверхности кремния под влиянием выделения тепла только от одной секции:

Пй,у,г)-Тк =

2як

(3)

Г Г = Г | -/=-**

-ол-ода л/Су-У)2 +(г-г')г ^у-у')1 +(г-г')2 + 4</>г

Разогрев N/4 - ой секции с учетом подогрева всеми остальными секциями с учетом трехслойной структуры в! - ВеО - Си получали, суммируя разогрев от каждой секции, рассчитанный по формуле (3).

Тепловое сопротивление исток-корпус Я-щ-к рассчитывалось согласно

формуле: Ят_К = , а чтобы учесть тот факт, что коэффициенты

Рис ' N

теплопроводности зависят от температуры, полученное Яти-к нужно умножить

на £ = 1 + \1.ЕТИ-1С РИС ^ 2

На основе предложенного метода произведен анализ теплового сопротивления, и максимального перегрева исток-корпус для кристаллов реальных мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой и показано, что экспериментальные и расчетные значения теплового сопротивления исток-корпус отличаются менее чем на 10%.

В третьей главе были выведены в аналитическом виде выходные вольтамперные характеристики для современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким п-каналом (1, < 1 мкм) с учетом саморазогрева транзисторов протекающим током стока.

Современные мощные ВЧ и СВЧ МОП транзисторы с индуцированным коротким п-каналом, изготавливаемые двойной диффузией примесей, имеют малую длину канала, поэтому при напряжениях ис > 2В в канале предельные электрические поля и дрейфовая скорость электронов достигает насыщения. В этом случае ток стока на пологих участках для прибора с периметром канала П описывается известным выражением 1СНЛС = П• С.Ю0) • (иу1 - Vпор)-УШклн.

Дрейфовая скорость насыщения электронов в объемном п-Б! зависит от

температуры Т по формуле: УВЕОБ = 1 +Д4™,««^ ■ (4>

Дрейфовая скорость насыщения электронов в инверсионном п-слое из-за рассеяния от стенок n-канала У^км оказывается меньше почти в два раза. Можно считать, что VSf ^ зависит от температуры Т по формуле аналогичной (4), но с другим коэффициентом в числителе. Полученное выражение для vSEtuH(T) можно с точностью до 5% заменить линейной зависимостью в интервале температур (300-450)К

VSEKA„{T) = (0 51750 604)-107 ■ [1-0 00093-(Г-300Л-)]. (5)

Пороговое напряжение Un0p (6) для мощных МОП - транзисторов с двойной диффузией примесей в истоковых ячейках с высокой точностью (до 5%) можно также заменить линейной зависимостью:

ип0Р (Т) = и „о, (300К) - 0.006 ■ (Г - 300). (6)

С учетом аппроксимаций (5) и (6), для тока стока находим ¡eme =Л С1Жг \Um - UПОР (300А") + 0.006 • (Т - 300)] х

х VSEKAH (300/?)-[i - 0.00093(Г - 300)} 1

Перегрев (ТИс—Тк) можно выразить через постоянную рассеиваемую мощность РИс, рассеиваемую в обратно смещенном истоковом р+-п переходе вблизи поверхности кристалла

Г— P¡1C 'Кти~к = ^СТ НАС СИ ТИ-К '

Подставляем в правую часть формулы (7) вместо Т-300=ТИсг-Тк выражение (8), в результате получим следующее уравнение для определения тока стока /сшс при заданных напряжениях U-да и иСи с учетом разогрева МОП - транзистора протекающим током стока:

W = n-C3Sl0¡ \uw ~ипОР(ШК) + 0 Ш-1Сшс -Лгя-Jfjx (9ч

х У&клн (ЗООЛГ) • [l - 0 00093 ■ 1Снлс ■ иси ■ RTlf_Ki На основе предложенного метода показано, что отличие расчетного значения тока стока в мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторах с индуцированным коротким n-каналом с учетом саморазогрева протекающим током стока и без учета саморазогрева протекающим током стока может достигать 20%.

В четвертой главе предложен метод расчета сопротивления растекания стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины между затвором и п" областью между р" ячейками, при работе на большом сигнале, и предложен метод расчета предельного тока стока и сопротивления растекания стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа.

В главе 4 приведены аналитические выражения для Лс при любых полях в п" слое. На рис. 2 на поверхности п- области при 0<у<Н и Н+И<у^2Н+И существует слой накопления электронов при изИ>иПОр, Н - длина тонкого затворного окисла <1^ < О.Ы/си, А - длина толстого окисла = 1мкм, под которым слой накопления не образуется. При типичных значениях Н=2-Змкм>Хр<2 мкм, можно считать в первом приближении, что электронный ток течет вдоль оси Ох в участках 0<у<Н и Н+И<у<2-Н+И - строго вниз.

При работе СВЧ МОП транзисторов в усилителях мощности, амплитуда косинусоидального импульса тока стока может достигать значения максимального тока 1С макс. а в п" слое поле Ех приближается к значению Еч> падение напряжения 1!а находится по другой формуле: Игл = Еч ■ хр. Тогда

первая составляющая сопротивления растекания стока будет равна:

£/_, Еш ■ хт

Д,-, = -И- = ——, где рп - сопротивление п - слоя, хр - толщина р - слоя.

'с ^с

Считая в первом приближении, что в этой части п" - слоя имеет место радиальное растекание электронов с центрами полуцилиндров в точках О' и О",

внутренним радиусом основания /-У=0,5Яи внешним радиусом г2 =^(Я + 0,5Л)

вторая составляющая сопротивления растекания стока в области п" - слоя от х=хр до х=хр+(Н+0,5 И) будет равна: г0,5 (Я + А)

4:2 71 П^

(10)

Найдем третью составляющую сопротивления растекания стока Ясз в

области xp+(H+0,5 h)<x<dn. Считаем, что в первом приближении в третьей

области имеет место одномерное протекание тока через слой толщиной d=d„-

(xp+(H+0,5-h)), где d„ - толщина п" - слоя, длиной l>2H+h и шириной Z.

р.-У -(х + (0,5# + А))| p. [d.-(х, +(0,5Я + Й))1

Тогда Я, < " L "————-" — ^ --J. (11)

43 IZN/2 (2Я + Л)П/2 v '

Полное сопротивление растекания стока: Rc = RCI + RC1 + RC3.

Вторая модель основана на расчете методом сеток уравнения Лапласа для

электрических потенциалов в модели половины истоковой ячейки.

На границах х^з, Х)А, Ау5, у2В, ВС, CD нормальные составляющие поля

равны нулю (pL = Eii= о). Считаем, что слой обогащения имеет нулевое дп

сопротивление, и потенциал на нем постоянен по оси у. При расчете потенциала в ячейке моделирования (см. рис. 3) решается уравнение Лапласа и в результате получаем распределение напряженности поля в данной ячейке при заданном напряжении Uch-

Расчет предельного тока проводился по известной формуле:

и

1 сшкг = Ч ■ Л^ • ■П • \цп (Ех {х = 0, )>)) • Ех (х = 0, у)ф>,

(12)

ип - подвижность электронов, Ех - нормальная составляющая электрического поля.

Показано, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может отличаться от значения при работе на большом сигнале в два раза.

и =яв

Рис. 4. Экспериментальные переходные вольт-амперные характеристики при различных стоковых напряжениях иСи

Vе

Рис. 5. Рассчитанная зависимость максимального тока стока от напряжения стока иСи, для СВЧ ДМОП транзистора

Приведены экспериментальные переходные вольтамперные характеристики (рис.4) при различных иСи для мощного СВЧ МОП транзистора с вертикальной структурой и подзатворным окислом переменной толщины, а также рассчитанная зависимость предельного тока стока от напряжения исток-сток иси (рис.5) и зависимость сопротивления растекания

тока стока Лс от приложенного напряжения исток-сток для мощного СВЧ МОП транзистора с частотой /=230 МГц, мощностью Рвых='50 Вт, периметром канала П=25 см. Показано, что максимальный ток стока, рассчитанный согласно предложенного метода отличается от экспериментального значения тока стока менее, чем на 20%.

В пятой главе предложен аналитический метод, позволяющий еще на этапе проектирования мощных полевых СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, для выбранной топологии и планируемых диффузионных режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора.

Для возникновения эффекта отпирания паразитного биполярного транзистора необходимо достижение прямого смещения на п-р переходе ирп^0,7В, поэтому требуется вычислить падение напряжения вдоль квазинейтральной р+ области под п+ истоковыми областями при протекании емкостного тока перезарядки барьерной емкости плоской С^Дс/^) и боковой части См;(£/„). Барьерные емкости р-п перехода на единицу ширины прямоугольных истоковых ячеек находим в плоской части по формуле плоского конденсатора, а в боковой части по формуле для одной четвертой цилиндрического конденсатора.

При заданном напряжении ирп границы р-п перехода находим из уравнений полученных путем интегрирования уравнения Пуассона с Гауссовым законом распределения акцепторов.

4 ■

3,5 3 •

$ 1.5

0,5 -00 5 10 15 20 25 30 Цие, В

Рис. 6. Зависимость емкости стокового р-п перехода единичной ширины от напряжения в плоской и боковой областях

Для типичных значений конструктивно-технологических параметров реальных СВЧ ДМОП транзисторов была получена зависимость емкости

(рис. 6) р-n переходов в боковой и плоской части обратно смещенного стокового р-n перехода от Upn.

Проведен расчет падения напряжения вдоль квазинейтральной р-области под п+-истоковыми областями при протекании емкостного тока перезарядки барьерной емкости плоской части Ср„п и боковой части СрпБ р-п"-перехода.

При увеличении напряжения пит ~ 1с макс ' cos®' '

со временем происходит расширение стокового р-п-перехода, следовательно, возникает емкостной ток перезарядки барьерной емкости р-n - перехода истоковой ячейки, определяемый по формуле: dUm

^ с бар (0 = срп (0 • = (0 й>/с Д sin ал. (13)

Падение напряжения дип возникающее при протекании емкостного тока через р-область под п+-истоковыми ячейками, для типичного СВЧ МОП транзистора с частотой/=500 МГц будет равно:

At/,=l/2 ® Cpnll(Up„)-IclRrRlp Aln+0-C^(Up„)-Ia RrRlp 4=0,0935,(14) где ICi- 1-ая гармоника тока стока, Ri - действительная составляющая сопротивления нагрузки для 1-ой гармоники тока стока, Rsp - сопротивление р-области, Д1„ - длина п+- области.

На основе предложенной модели показано, что в СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами/=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих параметры прибора возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе модели для расчета теплового сопротивления RT и максимального перегрева эмиттерный переход-корпус ДТ в структурах мощных биполярных транзисторов [Б.К. Петров 1989 г.] разработан простой аналитический метод расчета теплового сопротивления Rth-k и максимального перегрева исток-корпус ДТ в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой. Экспериментальные исследования показали, что точность метода более 10%.

2. Исследовано влияние саморазогрева мощных СВЧ МОП транзисторов протекающим током на выходные вольт-амперные характеристики мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурой. Показано, что отличие расчетного значения тока стока с учетом саморазогрева и без учета саморазогрева может достигать 20%, а крутизна меняется на 4-5%.

3. Разработаны методы расчета предельного тока стока, ограничивающего выходную мощность на большом сигнале для современных

13

конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой. Впервые предложена модель для расчета предельного тока стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с переменным подзатворным окислом, основанная на решении методом сеток уравнения Лапласа. Показано, что максимальный ток стока мощного СВЧ МОП транзистора с вертикальной структурой, рассчитанный согласно предложенной модели отличается от экспериментального значения менее, чем на 20%.

4. Разработаны методы расчета сопротивления растекания стока Яс на большом сигнале в современных конструкциях мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной ДМОП структурой. Показано, что сопротивление растекания стока при работе на малом сигнале может отличаться от значения при работе на большом сигнале более, чем в два раза.

5. Теоретически исследованы условия включения паразитного биполярного п+-р-п' транзистора для мощных СВЧ МОП транзисторов работающих в режимах усиления большого сигнала. Показано, что в СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами /=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, а для типичных значений в разрабатываемых СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами порядка />3 ГГц возможно включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора, а также предложены пути устранения этого эффекта.

6. Предложенные в диссертации методы расчета максимального тока стока, сопротивления растекания стока, теплового сопротивления и метод позволяющий прогнозировать включение паразитного биполярного транзистора под истоковой п+ - областью, а также ряд конструктивных и технологических решений разработанных с их помощью позволили специалистам ФГУП «НИИЭТ» оптимизировать топологию разрабатываемых СВЧ ДМОП транзисторов, устранить эффект насыщения выходной мощности, а также улучшить значение коэффициента усиления по мощности.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петров Б.К., Григорьев Р.Г., Быкадорова Г.В. Расчет теплового сопротивления в мощных СВЧ МОП транзисторах //Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, -2003. - С. 98-103.

2. Петров Б.К., Григорьев Р.Г. Оптимизация размеров кристалла при проектировании мощных СВЧ МОП транзисторов //Петербургский журнал электроники. - Санкт-Петербург. -2003. - Вып.З. - С. 61-64.

3. Петров Б.К, Григорьев Р.Г., Воробьев В.В. Влияние разогрева протекающим током стока на выходные вольтамперные характеристики и крутизну мощных СВЧ ДМОП транзисторов с вертикальной и горизонтальной

структурой // Радиолокация, навигация, связь: Труды X Международной науч,-техн. конф. - Воронеж. -2004. - Т.1. - С. 673-679.

4. Петров Б.К., Григорьев Р.Г., Воробьев В.В. Выходные вольт-амперные характеристики мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с учетом подогрева проходящим током // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы доклада Междунар. науч. метод, семинара. - М. -2004. - С. 272-277.

5. Петров Б.К., Григорьев Р.Г., Меньшиков П.А. Токовые ограничения в мощных СВЧ МОП транзисторах // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы доклада Междун. науч. метод, семинара. - М. -2005. - С. 88-92.

6. Петров Б.К., Григорьев Р.Г., Меньшиков П.А. Расчет сопротивления растекания стока в мощных СВЧ МОП транзисторах // Вестник Воронеж, гос. ун-та. Сер. "Физика, математика". - 2004. - № 2. - С. 78-81.

7. Расчет сопротивления растекания стока на большом сигнале в ВЧ и СВЧ транзисторах с вертикальной ДМОП структурой / Б.К. Петров, В.В. Воробьев, Р.Г. Григорьев, А.Н. Гашков, И.В. Семейкин // Радиолокация, навигация, связь: Труды XI Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж. -2005. -Т.1.-С. 491-496.

8. Моделирование технологии создания мощных полевых СВЧ транзисторов / В.В. Асессоров, Б.К. Петров, В.А. Кожевников, Г.В. Быкадорова, Р.Г. Григорьев // Электроника и информатика: Тез. Докл. IV Междунар. науч. техн. конф. - М. -2002. - С. 325.

9. Быкадорова Г. В., Григорьев Р. Г. Моделирование технологии создания истоковых и канальных областей мощных полевых СВЧ транзисторов // Радиолокация, навигация, связь: Тр. VHI Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2002. -Т.З. - С. 2076-2084.

Ю.Быкадорова Г.В., Григорьев Р.Г., Прудникова E.H. Двумерная аналитическая модель диффузионного перераспределения примесей при локальной наклонной имплантации // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ. -2003. - С. 58-63.

11 .Программный комплекс для моделирования структуры истоковых и канальных областей мощных полевых СВЧ транзисторов /В.А. Кожевников, Р.Г. Григорьев, Г.В. Быкадорова, A.B. Асессоров // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф - Таганрог. -2002. - 4.2. - С. 16-19.

12.Моделирование процесса легирования истоковых и канальных областей мощных СВЧ МОП транзисторов / В.В. Асессоров, Б.К. Петров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, Г.В. Быкадорова, Р.Г. Григорьев // Актуальные

проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр. X Междунар. науч.-техн. конф. - Таганрог. -2004. - С. 81-83.

13.Моделирование технологии создания мощных полевых СВЧ транзисторов / В.В. Асессоров, Б.К. Петров, В.А. Кожевников, Г.В Быкадорова, Р.Г. Григорьев // Электроника и информатика: Тез. Докл. IV Междунар. науч.-техн. конф. - М. -2002. -4.1. -С. 325.

14.Расчет влияния продольного сопротивления р" слоев истоковых ячеек на работу мощных СВЧ МОП транзисторов / Б.К. Петров, Р.Г. Григорьев, Г.В. Быкадорова, А.Н. Гашков // Радиолокация, навигация, связь: Тр. X Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж. -2004. - Т.1. - С. 381-385.

15.Быкадорова Г.В., Григорьев Р.Г. Методика расчета экспоненциального хвоста распределений ионно-имплантированных примесей в разориентированных кристаллических мишенях Н Радиолокация, навигация, связь: Тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж. -2001. - Т.1. - С. 381385.

16.The model of doping of source and channel areas of powerful UHF MOS transistors / V.V. Assessorov, B.K. Petrov, V.A. Kozhevnikov, G.V. Bykadorova, V.I. Dikarev, R.G. Grigoriev // VI international congress on mathematical modeling: book of abstracts. -N. Novgorod. -2004. -p. 138.

17.Петров Б.К., Григорьев Р.Г., Меньшиков П.А. Влияние емкостных токов в мощных СВЧ МОП транзисторах на эффект открытия паразитного биполярного транзистора // Вестн. Воронеж, гос. ун-та. Сер. "Физика, математика". - 2005. - № 1. - С. 45-50.

Подписано в печать 03.10.05. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л.1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 4 У?

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

РНБ Русский фонд

2006-4 15904

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЧ И ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ.

1.1. Конструкции и особенности физических основ работы мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

1.2. Вольт-амперные характеристики мощных МОП-транзисторов. Максимальный ток стока.

1.3. Особенности вольт-амперных характеристик мощных МДП-транзисторов с коротким каналом и с учетом разогрева.

1.4. Максимальное пробивное напряжение исток-сток.

1.5. Область безопасной работы МОП транзисторов в статическом и импульсном режимах работы.

1.6. Тепловое сопротивление исток-корпус.

1.7. Сопротивление растекания тока стока Rc.

1.8. Параметры большого сигнала Pi, КУР, г|с, для усилителей мощности на ДМОП транзисторах.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОК-КОРПУС В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ.

2.1. Аналитический метод расчета теплового сопротивления RTh-k в ДМОП транзисторах.

2.2. Исследование влияния топологии истоковых секций на тепловое сопротивление Rth-k.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАЗОГРЕВА ТОКОМ СТОКА НА ВЫХОДНЫЕ ВАХ

И КРУТИЗНУ В МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ ТРАНЗИСТОРАХ.:.

3.1. Вывод аналитических соотношений для зависимости выходных ВАХ от разогрева током стока.

3.2. Примеры расчетов выходных ВАХ и крутизны для СВЧ МОП транзисторов с коротким каналом.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЯ СТОКА Rc И МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА СТОКА 1СМАкс ПРИ РАБОТЕ СВЧ МОП ТРАНЗИСТОРОВ НА БОЛЬШОМ СИГНАЛЕ.

4.1. Расчет максимального тока стока 1с макс.

4.2. Расчет сопротивления растекания тока стока.

4.3. Расчет сопротивления растекания тока стока методом сеток.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ОТКРЫВАНИЯ ПАРАЗИТНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СВЧ ДМОП ТРАНЗИСТОРАХ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

Актуальность темы.

Многие годы полевые транзисторы с изолированным затвором были маломощными приборами, однако разработчиков электронных устройств привлекал ряд их параметров, сходных с параметрами электровакуумных приборов, например высокое входное сопротивление. За последние годы была создана обширная номенклатура мощных транзисторов с изолированным затвором, содержащая десятки типономиналов, по энергетическим и частотным параметрам не уступающих западным образцам.

В настоящий момент конструкция и топология элементарной ячейки транзисторной структуры имеет отличия от классической (подзатворный окисел постоянной толщины), которая приводится в литературе, что делает теорию для классической структуры мощных СВЧ МОП транзисторов лишь частично применимой для расчета параметров современных (подзатворный окисел сложной конфигурации) мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

В последние годы разработчики всех классов полупроводниковых приборов при проектировании используют специальные пакеты программного обеспечения позволяющие проектировать приборы в течение буквально нескольких часов, начиная от топологии и технологических процессов, заканчивая электрофизическими параметрами конечного прибора. Однако специальные пакеты программного обеспечения обладают целым рядом очень важных недостатков.

Наиболее сложным является учет новых физических эффектов, появляющихся при уменьшении длины канала. Так, модель Level 1 была справедлива только для транзисторов с длиной канала более 5 мкм, Level 2 — 2 мкм, Level 3 — 1 мкм, BSIM1 — 0,8 мкм, BSIM2 — 0,25 мкм, BSIM3 — 0,15 мкм, BSIM4 — менее 100 нм. МОП транзисторы имеют разнообразные конструкции и изготавливаются по различным технологиям. Одна и та же программа расчета должна обладать способностью быть настроенной на любую конструкцию и любой техпроцесс путем изменения ее параметров, доступных пользователю.

При проектировании мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой разработчики в основном ориентируются на достижение требуемых малосигнальных параметров, однако малосигнальные параметры не позволяют описать работу мощного СВЧ МОП транзистора в режиме усиления большого сигнала.

Очевидно, насколько важно инженерам, занимающимся проектированием мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с ДМОП структурой иметь простые аналитические модели для расчета предельных режимов работы приборов, еще на начальном этапе проектирования.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей диссертации являлась разработка аналитических методов расчета предельных параметров работы мощных СВЧ МОП транзисторов в зависимости от напряжения сток-исток иСи> топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (ГМОП), еще на начальном этапе проектирования.

Поставленная цель определяет следующие задачи:

1. Разработать аналитический метод расчета теплового сопротивления исток-корпус Rth-k и максимального перегрева AT в мощных СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой.

2. Исследовать влияние саморазогрева мощных СВЧ МОП транзисторов протекающим током на выходные вольт-амперные характеристики мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной (ДМОП) и горизонтальной структурой (ГМОП).

3. Разработать методы расчета предельного тока стока 1с макс для современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над и п- областью стока между р- ячейками.

4. Разработать методы расчета сопротивления растекания стока Rc на большом сигнале в зависимости от напряжения Ucn, топологических параметров, параметров диффузионных слоев и конфигурации затворного окисла современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной ДМОП структурой.

5. Теоретически исследовать условия включения паразитного биполярного п+-р-п" транзистора под истоковой областью для мощных СВЧ МОП транзисторов, работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:

1. Разработан аналитический метод расчета теплового сопротивления Rt и-к и максимального перегрева исток-корпус AT в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой с учетом двухслойной структуры - кристалл кремния — керамика ВеО. Рассчитанные значения теплового сопротивления RT И-к> и максимального перегрева исток-корпус для кристаллов реальных мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой совпадают с экспериментальными с точностью до 10%.

2. Теоретически обоснована возможность образования спадающих участков на экспериментальных выходных вольтамперных характеристиках 6 современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким n-каналом (1к<1 мкм) из-за уменьшения с температурой дрейфовой скорости насыщения электронов. Выведены в аналитическом виде выходные вольтамперные характеристики для современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким n-каналом (1к<1 мкм) с учетом саморазогрева транзисторов протекающим током стока.

3. Предложен аналитический метод расчета максимального тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока Rc с учетом насыщения дрейфовой скорости электронов в п"-области стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над п- областью стока между р- ячейками.

4. Показано, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может оказываться меньше значения при работе на большом сигнале почти в два раза.

5. Предложен численный метод расчета предельного тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока Rc в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа для потенциалов. Показано, что максимальный ток стока, рассчитанный согласно предложенной модели, отличается от экспериментального значения тока стока мощного СВЧ МОП транзистора с вертикальной структурой и с переменным подзатворным окислом менее чем на 20%.

6. Предложен аналитический метод расчета, позволяющий еще на этапе проектирования мощных СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, с учетом топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора.

7. Показано, что в СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами f= 0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих усилительные параметры прибора (коэффициента усиления по мощности КУР, коэффициента полезного действия стока т|С) возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Аналитический метод расчета теплового сопротивления исток-корпус RT и-к и максимального перегрева исток-корпус AT в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП и горизонтальной ГМОП структурами с учетом двухслойной структуры кристалл кремния-керамика.

2. Теоретическое обоснование возможности образования спадающих участков на экспериментальных выходных вольтамперных характеристиках современных мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторов с индуцированным коротким n-каналом (1к<1 мкм) из-за уменьшения с температурой дрейфовой скорости насыщения электронов.

3. Аналитический метод расчета максимального тока стока 1с макс и сопротивления растекания стока Rc с учетом насыщения дрейфовой скорости электронов в п"-области стока в случае современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины над п- областью стока между р- ячейками.

4. Теоретический вывод о том, что сопротивление растекания тока стока в современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой при работе на малом сигнале может оказываться меньше значения при работе на большом сигнале почти в два раза.

5. Численный метод расчета предельного тока стока 1с макс и сопротивления растекания Rc стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с подзатворным окислом переменной толщины, основанный на решении методом сеток уравнения Лапласа для потенциалов.

6. Аналитический метод расчета, позволяющий еще на этапе проектирования мощных полевых СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой работающих в режимах усиления большого сигнала, когда действует переменное синусоидальное напряжение сток-исток, с учетом топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора, ухудшающего параметры КУР, г|С.

7. Теоретический вывод о том, что в современных СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами /=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, и при поиске причин, ухудшающих усилительные параметры прибора, возможность включения паразитного биполярного транзистора следует исключить.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Методика расчета максимального тока стока 1с макс? сопротивления растекания стока Rc, теплового сопротивления исток корпус RT И-к> через конструктивные и технологические параметры структуры транзистора, а также метод, позволяющий на основе топологии и планируемых технологических режимов сделать вывод о возможности или невозможности включения паразитного биполярного транзистора, были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв" в ФГУП "НИИЭТ" г. Воронеж, что 9 подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.

Данная работа проводилась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: VII, VIII, X и XI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2001, 2002, 2004, 2005); Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004, 2005); IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2002); VIII и X Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», (Таганрог, 2002,2004); VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004); научно практическом семинаре «Элементная база специальной силовой электроники» (Воронеж, 2003); научной секции Воронежского государственного университета (Воронеж, 2004, 2005).

Публикации.

По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 статей и 12 материалов докладов на научно-технических конференциях. В совместных работах автору диссертации принадлежат вывод формул, расчеты и проведение совместных экспериментальных исследований.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 69 наименований. Объем диссертации составляет 137 страниц, включая 55 рисунков и 3 таблицы.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. На основе модели для расчета теплового сопротивления RT и максимального перегрева эмиттерный переход-корпус AT в структурах мощных биполярных транзисторов [Б.К. Петров 1989 г.] разработан простой аналитический метод расчета теплового сопротивления R-ги-к и максимального перегрева исток-корпус AT в структурах мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с вертикальной ДМОП структурой. Экспериментальные исследования показали, что точность метода более 10%.

2. Исследовано влияние саморазогрева мощных СВЧ МОП транзисторов протекающим током на выходные вольт-амперные характеристики мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурой. Показано, что отличие расчетного значения тока стока с учетом саморазогрева и без учета саморазогрева может достигать 20%, а крутизна меняется на 4-5%.

3. Разработаны методы расчета предельного тока стока, ограничивающего выходную мощность на большом сигнале для современных конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной структурой. Впервые предложена модель для расчета предельного тока стока в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах с вертикальной структурой и с переменным подзатворным окислом, основанная на решении методом сеток уравнения Лапласа. Показано, что максимальный ток стока мощного СВЧ МОП транзистора с вертикальной структурой, рассчитанный согласно предложенной модели отличается от экспериментального значения менее, чем на 20%.

4. Разработаны методы расчета сопротивления растекания стока Rc на большом сигнале в современных конструкциях мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной ДМОП структурой. Показано, что сопротивление растекания стока при работе на малом сигнале может отличаться от значения при работе на большом сигнале более, чем в два раза.

5. Теоретически исследованы условия включения паразитного биполярного п+-р-п" транзистора для мощных СВЧ МОП транзисторов работающих в режимах усиления большого сигнала. Показано, что в СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами/=0,3-1,5 ГГц включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора не должно наблюдаться, а для типичных значений в разрабатываемых СВЧ МОП транзисторах с рабочими частотами порядка f> 3 ГГц возможно включение паразитного биполярного п+-р-п" транзистора, а также предложены пути устранения этого эффекта. г

6. Предложенные в диссертации методы расчета максимального тока стока, г сопротивления растекания стока, теплового сопротивления и метод позволяющий прогнозировать включение паразитного биполярного транзистора под истоковой п+ - областью, а также ряд конструктивных и технологических решений разработанных с их помощью позволили специалистам ФГУП «НИИЭТ» оптимизировать топологию разрабатываемых СВЧ ДМОП транзисторов, устранить эффект насыщения выходной мощности, а также улучшить значение коэффициента усиления по мощности.

Заключение

1. Денисенко В. Моделирование МОП транзисторов / Денисенко В. // Компоненты и технологии. -2004. - №7. - С. 26-29.

2. Денисенко В. Моделирование МОП транзисторов / Денисенко В. // Компоненты и технологии. -2004. - №8. - С. 56-61.

3. Денисенко В. Моделирование МОП транзисторов / Денисенко В. // Компоненты и технологии. -2004. - №9. - С. 32-37.

4. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение / Э.С. Окснер Москва: Радио и связь, 1985. - 288 с.

5. Спиридонов С. Основы теории транзисторов / С. Спиридонов Киев: изд. Техника, 1975.

6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х т. / С. Зи; перевод с англ. 2-е изд. Москва: Мир, 1984. - 456 с.

7. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / А. Блихер; перевод с англ.; под ред. И.В. Грехова. Ленинград: Энергоатомиздат, 1986.-248с.

8. Кремниевые полевые транзисторы / О.В. Сопов и др. // Электронная промышленность 2003. - №2. С. 176-188.

9. Бачурин В.В. Исследование переходной характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором / В.В.Бачурин, О.В. Сопов, В.М.Иевлев. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы 1971. - Вып.6. - С.42-54.

10. В.И. Никишин. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов. / В.И. Никишин, и др. М.: Радио и связь, - 1989. -145 с.

11. Бачурин В.В. Мощные высокочастотные МДП-транзисторы / Бачурин

12. B.В. и др. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1974. - Вып.8. - С.3-16.

13. Power FETs from the USSR. "Radio Communication". - 1973. -September. - P.614.

14. Product Specification. Data Sheet BLF861A UHF power LDMOS transistor. Philips Semiconductors, 2001. - P. 16.

15. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы / В. Майская // Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. - № 8. - С. 16-21.

16. Дьяконов В.П. Справочник. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах / В.П. Дьяконов; под ред. В.П. Дьяконова. М. Радио и связь. - 1994. - 280с.

17. Сопов О.В. Мощные ВЧ и СВЧ МДП-транзисторы импульсные приборы наносекундного диапазона / О.В. Сопов. и др. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 1978. - Вып.5,6.1. C.103-116.

18. Бачурин В.В. Исследование динамических параметров мощных МДП-транзисторов / В.В. Бачурин и др. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1983. - Вып.5. - С.48-52

19. Сопов О.В. Мощные кремниевые ВЧ и СВЧ МДП-транзисторы / О.В. Сопов, В.В. Бачурин, В.К. Невежин // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1978. — Вып.5,6. - С. 16-25.

20. Корнеев J1.A. Каскады радиопередающих устройств СВЧ на полевых транзисторах / JI.A. Корнеев М.:МЭИ, - 1984. -68с.

21. Сагайдак O.JI. Василевский Д.Л., Сердюк В.В. Модель полевого МДП-^ транзистора на основе монополярного полупроводника / О.Л. Сагайдак,

22. Крылова И.И. Численные методы расчета транзисторов / И.И. Крылова // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы 1971. — Вып.6.-С.100-118.

23. Бачурин В.В. Нелинейная статическая модель мощного МДП-транзистора / В.В. Бачурин, В.П. Дьяконов, Т.А. Самойлова // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника-1983. -№11.-С.41^5.

24. Дьяконов В.П. Расчет нелинейных и импульсных устройств на програмирумых микрокалькуляторах / В.П. Дьяконов М.:Радио и связь,- 1984.-176 с.

25. Дьяконов В.П. Анализ переходных процессов в ключе на мощном МДП- транзисторе / В.П. Дьяконов // Радиотехника и электроника. -1980. —Т. 25. №2. -С. 399-406.

26. Дьяконов В.П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах / В.П. Дьяконов М.: Наука, - 1989. - 464 с.

27. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ / В.П. Дьяконов М.:Наука, -1989. -240 с.

28. Дьяконов В. П. Применение персональных ЭВМ и программирование на языке Бейсик / В. П. Дьяконов М.: Радио и связь. - 1992.- 288 с.

29. Зубчук Е.П. Метод аппроксимации нелинейных характеристик электронных компонентов / Е.П. Зубчук, А.А. Шпаковский // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. 1982. - № 12. - С.75-77.

30. Дьяконов В.П., Смердов В.Ю., Фролков О.А. Нелинейная аппроксимация передаточных и выходных характеристик мощных МДП-транзисторов/ В.П. Дьяконов, В.Ю. Смердов, О.А. Фролков //132

31. Полупроводниковая электроника в технике связи. Под ред. И.Ф. Николаевского. -М.: Радио и связь-1985. Вып. 25. -С.163-167.

32. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах / В.П.Дьяконов М.:Радио и связь, - 1973. - 208 с.

33. Бачурин В.В. Мощные переключающие МДП-транзисторы и их применение / Бачурин В.В. и др. М.: ЦНИИ «Электроника», - 1984. -4.2. - 45с.

34. Graaff Н.С. Gate-controlled surface breakdown in silicon р-n junctions, Philips Res.Repts, 1970, - 25, - P.21-32.

35. Tamosaits J. The power FET "Electronic World", - 1969, - vol.81, - № 6, -P.34-35.

36. Rincel M. Junction Gate FET Power Amplifier. / Proc.of the IEEE, - 1970. -May. - P.789-790.

37. Приходько А.А. Диагностика мощных МДП-транзисторов по параметрам предельных режимов работы / А.А. Приходько // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. — 1991. -Вып. 1. С. 46-54. ^ —^^

38. Eitan В., Frohman-Benhkowsky D. Surface conduction in short-channel MOS devices as a limitation to VLSI scaling / IEEE Trans. Electron Devices. -1982. -Vol. ED-29, N 2. - P. 254-266.

39. Козлов H.A. Тепловое шнурование тока в структурах мощных МДП-транзисторов / Н.А. Козлов, A.M. Нечаев, В.Ф. Синкевич // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1984. - Вып.1. - С.29-37.

40. Николаевский И.Ф. Параметры и предельные режимы работы транзисторов / И.Ф. Николаевский, Д.В.Игумнов. М.: Сов. радио, -1971.-382с.

41. Бачурин В.В. Особенности пробоя мощных МДП-транзисторов с вертикальным каналом / Бачурин В.В. и др. // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. -1982. вып.З, - С. 38-44.

42. Кернер Б.С. Кинетика теплового шнурования при флуктуационной неустойчивости в транзисторных структурах / Б.С. Кернер, A.M. Нечаев, Е.А. Рубаха. // Радиотехника и электроника, 1980. - Т.25, - вып.1, - С. 168-176.

43. Нечаев A.M. Тепловое-шнурование в транзисторных структурах с неоднородностью / A.M. Нечаев, Е.А. Рубаха, В.Ф. Синкевич // Радиотехника и электроника, 1981. - Т.26, - вып.8, - С.1773-1782.

44. Новые биполярные и полевые транзисторы: Справочник / А.К. Бельков и др.; Под редакцией Б.Л. Перельмана. МП "Символ-Р" и редакция журнала "Радио", -1993. -96 с.

45. Захаров A. JL, Асвадурова Е. И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов / A. JI. Захаров, Е. И. Асвадурова. М.: Радио и связь, -1983. - 184 с.

46. Максимчук А.А. О расчете стационарного режима высокочастотных усилителей на мощных МДП-транзисторах / А.А. Максимчук, В.В. Никифоров, Е.П. Строганова. // Полупроводниковая электроника в технике связи. 1985. - Вып. 25. - С. 184-192.

47. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел. / Г. Карслоу, Д. Егер; перевод с англ.; под ред. А. А.Померанцева М: Наука, - 1964. - 487 с.

48. Петров Б.К. Расчет теплового сопротивления в мощных СВЧ МОП транзисторах / Б.К. Петров, Р.Г. Григорьев, Г.В. Быкадорова // Межвузовский сборник научных трудов «Твердотельная электроника и микроэлектроника». Воронеж. - 2003; - С. 98-103.

49. Зернов Н. В. Теория радиотехнических цепей / Н.В. Зернов, В.Г. Карпов. Ленинград: Энергия, - 1972. - 816с.

50. Петров Б. К. Оптимизация размеров кристалла при проектировании мощных СВЧ МОП транзисторов / Б. К. Петров, Р. Г. Григорьев // Петербургский журнал электроники. 2003. - Вып.З. - С. 61-64.

51. Петров Б.К. Расчет сопротивления растекания стока в мощных СВЧ МОП транзисторах / Б.К. Петров, Р.Г. Григорьев, П.А. Меньшиков. // Вестник Воронежского государственного университета. Серия физика, математика. 2004. - № 2. - С. 78-81.

52. Маллер Р. Элементы интегральных схем / Р. Маллер, Т. Кейминс.; перевод с англ. М.: Мир, - 1989. - 630 с.

53. Дьяконов В.П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / В.П. Дьяконов; под ред. В.П. Дьяконова. М.: СОЛОН-Р, - 2002. - 507 с.

54. Асессоров В.В. Моделирование технологии создания мощных полевых СВЧ транзисторов / В.В. Асессоров,., Р.Г. Григорьев. // Тезисы докладов IV международной научно технической конференции «Электроника и информатика». Москва,2002. - С. 325.

55. Асессоров В.В. Моделирование технологии создания мощных полевых СВЧ транзисторов / В.В. Асессоров,., Р.Г. Григорьев. // Тезисы докладов IV международной научно-технической конференции «Электроника и информатика».- Москва,2002. — 4.1. С. 325.

56. Assessorov V.V. The model of doping of source and channel areas of powerful UHF MOS transistors / V.V. Assessorov,., R.G. Grigoriev. // VI international congress on mathematical modeling / book of abstracts. — Nizhny Novgorod,2004. -P. 138.

57. Быкадорова Г.В. Математическое моделирование технологических процессов в микроэлектронике. 4.1: Диффузия / Г.В.Быкадорова, JI.A. Битюцкая, В.А.Гольдфарб; под общ. ред. И.С. Суровцева. Воронеж: ВГУ,- 1997.- 116 с.

58. Антонетти П., МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов. / П. Антонетти и др., перевод с англ. — М.: Радио и связь, 1988. - 496 с.