1.4. Визуализируем распределение по сечению структуры вдоль y и построим распределение концентрации электронов вдоль y в центральной области структуры:
Рисунок 1.5. Распределение напряженности вдоль Y в структуре.
Рисунок 1.6. Распределение напряженности вдоль Y.
На рисунке 1.6. виден резкий спад зависимости. Это обусловлено тем, что ширина запрещенной зоны увеличивается по мере проникновения в «глубь» и подвижные носители не обладают достаточной энергией, чтобы сохранять однородность поля.
Рисунок 1.7. Распределение концентрации электронов вдоль Y.
Здесь (Рисунок 1.7.) мы видим спад концентраций электронов с ростом координаты. Это происходит из-за того, что напряжение на стоке будет наводить поле, которое притягивает электроны наверх, но поле не однородно от истока до стока, и концентрация электронов спадает.
1.5. Построим зависимость сопротивления изучаемой структуры от напряжения на стоке UC:
Рисунок 1.8. Зависимость сопротивления от Uс.
В построение зависимости (Рисунок 1.8.) учитывается эффект сильного поля.
Аналитический расчет сопротивления:
Z= 1 мкм
Nd = 3.5*1017 см-3
q = 1.6*10-19 Кл
S = 0.1*10-4*z
Ом
Значения сопротивление резистора примерно сопоставимо с значениями, полученными на графике зависимости R от UC (Рисунок 1.8). Небольшие отклонения вероятнее всего возникают из-за динамического изменения параметров в эксперименте (например, подвижность), в то время при аналитике подвижность является константой.
1.6. Проведем расчет ВАХ резистора, исключив из командного файла модель эффекта насыщения скорости носителей в сильном электрическом поле (HighFieldSaturation):
Рисунок 1.9. Зависимость тока стока Iс от напряжения сток-исток Uси (красный цвет) и зависимость сопротивления R от напряжения стока UC (зеленый цвет).
Задание 2. Диод Шоттки на подложке GaAs.
2.1 Возьмём за основу модель из прошлого создания, только нужно добавить контакт Шоттки на поверхность полупроводникового резистора.
Рисунок 2.1. Результат моделирование диода Шоттки на подложке GaAs.
2.2 Модификация командного файла Sentaurus Device
Добавим в секцию Electrode описание электрода gate. Так как контакт не должен являться омическим, то в его описании необходимо указать, что данный тип контакта является контактом Шоттки с заданной величиной потенциального барьера. Итоговая секция Electrode
будет иметь следующий вид:
Рисунок 2.2. Модификация командного файла.
2.3 Построим прямую и обратную ветви диодной ВАХ.
Рисунок 2.3 – ВАХ диода Шоттки. Прямая (красный цвет) и обратная (зеленый цвет) ВАХ диода Шоттки.
В диоде Шоттки используется контакт металл-полупроводник
Из рисунка 2.3. видно, что ток остается малым до значений прямого напряжения 0,5–0,6 В. Это значение называют барьером Шоттки – когда при условии, что работа выхода полупроводника будет меньше, чем у металла, и электроны из полупроводника n типа переходят в металл. После того как прямое напряжение становится больше высоты барьера Шоттки, ток через диод начинает резко возрастать. Полученная ВАХ полностью соответствует ВАХ диода Шоттки
2.4. Для детального рассмотрения области контакта металл-полупроводник построим распределение плотности электрического поля.
Рисунок 2.4. Распределение плотности электрического поля в диоде Шоттки.
На рисунке 2.4 видно, что при обратном включении под контактом затвора образовалась область обеднения (синяя), ток течь не будет, зона обеднения будет только расти при увеличении обратного напряжения, а вот при положительном смещении концентрация основных носителей под контактом примерно равна концентрации легирующей примеси.
2.5 Изучим влияние концентрации легирующей примеси в канале на вид прямой вольтамперной характеристики диодной структуры посредством проведения серии расчетов с различными ее величинами.
Рисунок 2.5. Прямая и обратная ВАХ при разных значения концентрации легирующей примеси в канале.
Из рисунка 2.5 видно, что с ростом концентрации примеси растет ток. Это происходит за счёт того, что при увеличении концентрации носителей заряда, поле будет действовать на большее количество электронов, что приведет к увеличению проводимости канала, то есть, к увеличению количества переносимых зарядов за единицу времени – току.
Задание 3. Полевой транзистор Шоттки на подложке GaAs.
Для успешного выполнения примера необходимо наличие проекта, созданного в Задании 2, модификация структуры не требуется, изменения будут вноситься только в командный файл SDevice.
3.1 Для того, чтобы получить семейство выходных ВАХ исследуемого прибора, необходимо модифицировать секцию Solve в соответствии с нижеприведенным фрагментом кода:
Рисунок 3.1 Листинг кода для модификации файла
3.2 Выходные ВАХ смоделированного транзистора:
Рисунок 3.2. ВАХ для различных напряжений затвора Uз
Рисунок 3.2. можно объяснить тем, что, когда мы подаём на затвор отрицательное напряжение, будет появляться обедненная область и чем больше это отрицательное напряжение, тем более узкий будет канал и току будет все труднее проходить. Останется критически малый канал, меньше него уже некуда, и благодаря нему появляется насыщение.
Однако при напряжении на затворе, равном 1 В, через контакт Шоттки начинает течь очень большой прямой ток при нулевом напряжении на стоке и большом смещении на затворе. При возрастании напряжения на стоке, уменьшается разность напряжений между затвором и стоком, и ток стока может становиться положительным
Дно такой режим работы транзистора нежелателен в использовании, поскольку приводит к быстрой деградации структуры. Таким образом, из результатов расчетов можно сделать вывод, что рассматриваемый транзистор может работать при напряжениях на затворе от 0 до -3 В.
3.3. Визуализируем распределение напряженности электрического поля и распределение плотности тока электронов нашей смоделированной структуры:
Рисунок 3.3 – Распределения напряженности электрического поля
На рисунке 3.3 видно, что при максимальном отрицательном смещении на затворе получается наибольшее значение напряженности электрического поля, так как разность напряжений между затвором и стоком в этом случае будет максимальной.
3.4. Распределение плотности тока электронов.
Рисунок 3.4 – Расчетные распределения плотности тока электронов
На рисунке 3.4 мы можем наблюдать закрытие транзистора при увеличении отрицательного потенциала на затворе. В то время как значения отрицательного смещения мало, на стоковом крае затвора утолщается обедненная область, потому что увеличен потенциал стока и электроны уходят из затвора в сторону положительного потенциала стока, поэтому там искривление. Если увеличивать отрицательное смещение на затворе, то обедненная область изменяется и становится почти симметричной. При этом ток основных носителей перестает быть локализован только в канале транзистора и начинает протекать и в слаболегированной подложке.
3.5. Рассчитаем управляющую характеристику изучаемого транзистора при напряжении на стоке VDRAIN = 5 В:
Рисунок 3.5. Управляющая характеристика ПТШ при напряжении на стоке Udrain=5В.
Рассматривая управляющую характеристику ПТШ (Рисунок 3.6.) мы видим стандартную управляющую характеристику n-канального полевого транзистора, что подтверждает правильность моделирование. Что касается самого поведения зависимость, то можно сказать, что чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем шире ООЗ, уже канал для прохождения носителей заряда, а, соответственно, и меньший ток.
3.6. Проведем анализ влияния положения затвора относительно истока на вид управляющей характеристики исследуемого ПТШ:
Рисунок 3.6. Результат анализа влияния положения затвора относительно истока на управляющие хар-ки ПТШ.
3.7. Теперь изучим влияние длины затвора на вид управляющей характеристики исследуемого устройства (ПТШ):
Рисунок 3.7. Результат анализа влияния длины затвора на вид управляющей характеристики исследуемого устройства.