Sb000528

гральных схемах (ИС) получили транзисторы с индуцированным каналом рис. 2.1. Основными параметрами транзистора являются: длина канала L, ширина канала Z, толщина подзатворного диэлектрика d, уровень легирования подложки NA.

Работа МДПТ основана на управлении проводимостью цепи исток-сток с помощью напряжения на затворе. Когда напряжение на затворе отсутствует, электрическая цепь исток-сток представляет собой два n+-перехода, включенных навстречу друг другу. Ток в такой цепи очень мал и равен току обратносмещенного перехода. При подачи на затвор достаточно большого положительного напряжения в подзатворной области полупроводника индуцируется инверсный слой (канал) n-типа проводимости, соединяющий n+- области истока и стока. Теперь если увеличивать положительное напряжение на стоке, то ток в цепи исток-сток будет сначала линейно нарастать, а затем (VD≥VDsat) произойдет насыщение. Насыщение тока стока при фиксированном напряжении на затворе связано с сужением проводящего канала со стороны стока и с сокращением его длины при увеличении VD. На рис. 2.2 схематично показаны сечения транзистора, иллюстрирующие влияние напряжения смещения на конфигурацию канала и обедненной области. В приближении плавного канала, однородного легирования и при учете только дрейфовой составляющей тока, а также полагая независимость подвижности от значения электрического поля, ток стока ID можно определить как:

где μn – подвижность электронов в канале; Ci = εi*ε0/d – удельная емкость диэлектрика; VT – пороговое напряжение.

11

Приведенное ранее выражение описывает зависимость ID = f(VD) для участка до насыщения тока. При малых VD в линейной области

I.D m.n×C.i× ZL ×(V.G - V.T)×V.D

В области насыщения тока, когда VD≥VDsat, ток определяется как:

Крутизна ВАХ МДПТ вычисляется как: для линейной области –

Во всех приведенных выше выражениях пороговое напряжение следует вычислять, используя уравнение

– контактная разность потенциалов металл затвора – полупроводник;

– потенциал, соответствующий положению уровня Ферми в подложке, отсчитываемый от середины запрещенной зоны;

Q.B q× N×W 2×e.s×e.0×q× N×(2×f.B - V.B)

– удельный заряд обедненной области полупроводника с учетом смещения на подложке; Qs – фиксированный заряд в диэлектрике; q – заряд электрона VB – потенциал подложки.

2.3. Экспериментальная установка

Имитационная модель ПТШ, созданная средствами комплекса LabVIEW, реализует приведенную выше математическую модель. Виртуальная установка (рис 1.4) позволяет отслеживать влияние на ВАХ и крутизну ВАХ ПТШ при четырех последовательно заданных наборах следующих входных параметров: Ud – напряжение на стоке; Ug – напряжение на затворе; d – толщина подзатворного слоя; NA – уровень легирования канала активной примесью; T – температура.

12

3.Проанализируйте изменение ВАХ МДПТ при увеличении концентрации примеси в активном слое.

4.Исследуйте влияние изменения длины затвора на характеристику МДПТ.

5.Проследите изменения глубины инвертированного слоя при увеличении напряжения затвор-исток.

6.Исследуйте, какие напряжения нужно изменять для увеличения глубины инвертированного слоя в стоковой части затвора при сохранении глубины инвертированного слоя в его истоковой части.

7.Установите, какие напряжения нужно изменять для увеличения глубины инвертированного слоя в истоковой части затвора при сохранении глубины инвертированного слоя в его стоковой части.

2.5.Порядок выполнения работы

1.Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде

Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью: File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» устройство, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры.

5.Пронаблюдайте, как изменение входных параметров влияет на выходные – ВАХ и крутизну ВАХ. Зарисуйте полученные графики, предварительно нажав кнопку Change на лицевой панели установки.

6.Установите новые входные параметры или измените часть прежних и запустите установку, снова нажав кнопку Change. Для зарисовки новых гра-

фиком также воспользуйтесь этой кнопкой.

7. «Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

2.6. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Описание исследуемого прибора и принципа его действие.

3.Основные положения имитационной модели.

4.Отчет о выполнении заданий, проиллюстрированный графиками (ВАХ, крутизна ВАХ), численными примерами (входные и выходные параметры модели). Поясните результаты полученные с помощью имитационной модели, с точки зрения физики исследуемых процессов.

14

5. Выводы.

Защита лабораторной работы состоит в выполнении задания, аналогичного 2.4 (по указанию преподавателя) без использования имитационной модели и проведения подобного расчета. Обоснуйте свой ответ с точки зрения физики процесса, а затем проверьте правильность качественной оценки с помощью имитационной модели.

2.7.Контрольные вопросы

1.Опишите основные элементы конструкции планарного МДПТ.

2.В чем состоят основные этапы технологии изготовления планарного

МДПТ?

3.Что такое пороговое напряжение МДПТ? От чего зависит пороговое напряжение?

4.Что вызывает дрейф порогового напряжения? Каковы технологиче-

ские приемы стабилизации дрейфа?

5.Чем определяются ток стока, крутизна характеристики МДПТ?

6.От чего зависит электрическая прочность планарного МДПТ?

7.Чем определяется максимальная рабочая частота прибора? Чем огра-

ничивается увеличение быстродействия МДПТ на Si?

Лабораторная работа № 3

ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ НА СПИНОВЫХ ВОЛНАХ

3.1. Цель работы

Изучение работы линии задержки на магнитостатических волнах и приобретение практических навыков ее качественной оценки.

3.2. Основные положения

Принцип действия спин-волновых устройств основан на явлениях возбуждения, распространения и приема волн намагниченности в магнитоупорядоченных кристаллах. При распространении спиновых волн в пленках их основные характеристики – собственная частота, фазовая и групповая скорости – сильно зависят от величинвы и направления постоянного поля подмагничивания H, магнитных характеристик материала (высокочастотной магнитной проницаемости m, намагниченности насыщения M0, параметра СВЧ магнитной диссипации H), геометрических размеров волноведущих структур. Эти зависимости отражены в дисперсионном уравнении.

15

Для получения дисперсионных характеристик спиновых волн в ферромагнитных пленках необходимо решить следующие электродинамические задачи. В том случае, когда длина спиновых волн l >> a, где a – постоянная решетки, обменное взаимодействие можно не учитывать, и задача сводится к магнитостатической. Безобменные спиновые волны иначе называют магнитостатическими волнами (МСВ).

В безобменном приближении задача сводится к решению системы уравнений и граничеых условий, сформулированных относительно магнитного потенциала ϕ при известном тензоре магнитной проницаемости μr. Тензор магнитной проницаемости имеет вид:

[g]=1.76*1011 Кл/кг – гидродинамическое отношение; μ0=4π*10-7 Гн – магнитная проницаемость вакуума.

Магнитостатический потенциал внутри ферромагнитной пленки описывается уравнением Уокера. Вне ферромагнетика уравнение Уокера переходит в уравнение Лапласа. Граничные условия включают условие непрерывности МСВ-волн (равенство потенциалови их производных на границах пленки) и условие убывания волнового поля на бесконечности. Уравнение Уокера для МСВ в пленках имеет вид:

Граничные условия в зависимости от направления намагничивания (перпендикулярно пленке (рис. 3.1, а) или по касательной (рис. 3.1, 6, в)) могут включать или не включать компоненты тензора магнитной проницаемости.

В общем случае решение ищут в виде неоднородных плоских волн, распространяющихся вдоль выбранного направления. для перпендикулярно намагниченной пленки это направление совпадает с осью Y (рис. 3.1 а) для

16

касательно намагниченной рассматриваются два наиболее часто встречающихся случая: продольное (К // Н, рис. 3.1, 6)11 поперечное распространение

(К H, рис. 3.1, в).

Остановимся на качественном анализе результатов решения задачи. Для перпендикулярно намагниченной пленки все направления распространения спиновых волн являются эквивалентными. Распределение магнитостатического потенциала описывается тригонометрическими функциями, и поэтому такие спиновые волны получили название объемных спиновых волн. Качественная картина спектра представлена на рис. 3.1, а. При ω → ω0 все дисперсионные кривые стягиваются в одну точку. Дисперсионной кривой, ограничивающей спектр по частоте сверху, отвечает волна, имеющая простейшее распределение магнитостатического потенциала. Эта волна называется основной, или волной низшего типа.

Групповая скорость спиновых волн vg при перпендикулярно намагниченной пленке положительна. Максимальное значение групповой скорости имеет волна низшего типа. Это значение при Ky = 0 равно

w.M×L v.g 4

Все остальные (высшие) типы волн при Ky = 0 имеют нулевые значения. Различия между значениями групповых скоростей в их частотными зависимостями для высших типов воли в низших волн приводят к тому, что высшие типы волн затухают гораздо сильнее, чем низшие. Поэтому именно волна низшего типа обычно отвечает за перенос СВЧ-сигнала в спин-волновых приборах.

17

При касательном намагничивании в плоскости пленки существует выделенное направление – направление намагничивания, и поэтому свойства спиновых волн зависят от угла между направлением распространения волны в направлением поля. Остановимся на продольном и поперечном распростанении МСВ в пленке при касательном намагничивании.

При продольном распространении (К ⁄⁄ Н как и в случае перпендикулярного намагничивании, спектр объемных спиновых волн заключен в интервале частот (рис. 3.1, 6). Однако ход дисперсионных кривых существенно иной. Дисперсионные кривые ω = f(Кz) имеют отрицательный наклон (отрицательную групповую скорость) во всей области спектра. Они начинаются при К = О в точке (о = о Таким образом, эта частота определяет частоту ферромагнитного резонанса касательно намагниченной пленки.

Дисперсионная кривая, ограничивающая спектр ω(Кz)по частоте снизу, отвечает волне низшего типа. Эта волна имеет максимальное по модулю значение групповой скорости при Kz = 0:

где L – толщина пленки. Все остальные (высшие) типы спиновых воли при Kz

= 0 имеют vg = 0.

Поскольку знаки фазовой в групповой скоростей продольных спиновых волн в касательно намагниченных пленках не совпадают, то такие волны называют обратными объемными волнами.

Поперечное распространение МСВ в касательно намагниченных пленках имеет ряд принципиальных отличий от рассмотренных ранее случаев (рис. 3.1, в). Распределение волн по толщине пленки описывается не тригонометрическими, а гиперболическими экспоненциальными функциями. Такие волны называют поверхностными. В отличие от объемных воля, спектр поверхностных волн содержит только одну дисперсионную кривую ω(Кy) которая начинается в точке ω = ω лежит выше спектра объемных волн и имеет положительную групповую скорость:

Поверхностные волны обладают свойством невзаимности. На практике это приводят к тому, что при изменении угла между направлением распространения волны в вектором намагничивании с 90 на 2700 максимум распре-

18

пленке железо-иттриевого граната (ЖИГ) может достигать 1 ГГц на частотах порядка нескольких гигагерц.

Время задержки сигнала τ определяется расстоянием между преобразователями 1 b групповой скоростью спиновых волн vg. Типичное время задержки может составлять от единиц наносекунд до нескольких микросекунд. Снизу время задержки ограничивается паразитным влиянием антенн при уменьшения расстояния между ними, сверху максимально допустимым затуханием. Затухание спиновых волн в ЛЭ приближенно можно определять по формуле

a 0.95×2DH×t

где H параметр магнитной диссипации, А/м; τ – время задержки мкс. Помимо собственных характеристик ЛЭ на МСВ на практике также

определяют такие характеристики, как АЧХ и ФЧХ, частотные зависимости входного импеданса и коэффициента отражения.

Время задержки τ может быть как постоянным в данном диапазоне частот (бездисперсионная ЛЗ), так и зависеть от частот (дисперсионная ЛЗ). Бездисперсионная ЛЭ имеет фазовую характеристику f(ω) близкую к линейной. Зависимость времени задержки от частоты характеризуется неравномерностью времени задержки

δτ Δτ τ.0

где τ0 – среднее значение времени задержки; τ – абсолютное (максимальное) отклонение времени задержки от среднего значения в заданном диапазоне частот. Допустимая неравномерность времени задержки в характер ее изменения в диапазоне частот зависят от типа сигнала, подлежащего обработке.

Конструктивно линейная фазовая характеристика ЛЗ реализуется с помощью металлических экранов или многослойных пленочных структур, которых взаимное влияние слоев структуры с различными магнитными параметрами приводит к образованию достаточно широких частотных областей с постоянной групповой скоростью спиновых волн.

Дисперсионные ЛЗ имеют, как правило, линейную характеристику зависимости времени задержки от частоты, падающую или нарастающую (квадратичную фазовую характеристику τ(ω) = df/dω). Существует два способа управления частотной зависимостью τ(ω) Первый способ заключается в изменении частотной зависимости групповой скорости спиновых волн. Он реализуется с помощью применения металлических экранов (для снижения фазо-

20