Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Электронный транспорт в субмикронных и нанометровых диодных и транзисторных структурах Пашковский, Андрей Борисович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Пашковский, Андрей Борисович. Электронный транспорт в субмикронных и нанометровых диодных и транзисторных структурах : диссертация ... доктора физико-математических наук : 05.27.01.- Фрязино, 1998.- 344 с.: ил. РГБ ОД, 71 99-1/233-X

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из основных задач современной электроники является улучиекие характеристик полупроводниковых приборов, повышение их . быстродействия и рабочих' частот. Это достигается, в частности, существенным уменьшением' характерных размеров полупроводниковых структур (толзян слоев,' разметов электродов и т.д.)-. Электронный.транспорт в таких-' структурах по сравнению состапионаршм имеет, ряд особенностей. Это связано с тем,, что размеры этих структур становятся сравнимы с/длиной свободного пробега электронов. При эгог.т в субмикронкых структурах начинается нестационарный разогрев электронов, а в нанометроЕЫХ, размеры которкх сравнимы с длиной' волны' де Бройля, начинают проявляться квантовые эффекты. В настоящее время к числу наиболее высокочастотных малоЕумкцях полупроводниковых приборов откосятся прежде всего полевые транзисторы СПТ) на арсенале галлия и других соединения. А3Е5, и.резонансно-туннельные. диоды. Еерзые ухе широко, используется в современной электрсньай.технике, вторые интенсивно изучаются во многих лабораториях мира..Анализ электронных процессов в этих приборах требует с"гзния адекватных физических моделей и математических методов их расчета. Возникающие .здесь - проблемы связаны, в частности, с тем, что физические модели и методы долг-як с одной стороны достаточно полно описывать особенности электронного транспорта, опредедяидие высокочастотные характеристики этих приборов, а с другой должны быть достаточно простыми и удобными для анализа, характеристик реальных приборов и их проектирования. Гак, наиболее строгий метод расчета электронного транспорта в субмикронных структурах - метод Монте-Карло слитом сложен и трудоемок как для выяснения комплексного влияния различных физических эффектов на электронный транспорт и характеристики соответствующих приборов, так и для их расчета и оптимизации. С другой стороны методы анализа, основанные ка дпффугпснно-дрей$~всй (локально-полевой) модели к субмікронним структурам вообще неприменимы. Поэтому требовалось разработать новые физические модели и методы расчета, отвечающие рассматриваемым проблемам.

С развитием современной каноэлектронной технологій, появлением диодов и транзисторов с резонансным туннелированием электронов, работающих в террэгерцсясм диапазоне и униполярных лазеров ИК диапазона, потребовалось развитие методов анализа крантоеомехзни-ческого взаимодействия высокочастотного 'ВЧ) поля с электронами,

-.-.--1.. ', - 4 -

> проходящими через наборы потенциальных .ям и барьеров, (квантово-

> -размарнке-.,структуры). Эти задачи, дредставлящие как. чиото . науч-

v'.';" ный, так и ^значительный практический интерес, требуют иаховдевия

;-.'.-?установившихся решений нестационарного.уравнения; Щредингера. Одна-

Г*vїісо, ;есіли:для исследования электронного транспорта,., в ;сус«шсранных

~f г; структурах уже суще ствовали достаточно точные модели, то для ; рас-

"'.;- сматриваемого.в диссертации поперечного транспорта через ваномет-

''-'; ровыэ структуры в ВЧ полях атот вопрос оставался открытым. Не были

'/" разработаны достаточно простые методы нахождения установившихся

решений, нестационарного уравнения Щредингера,. списыващего взаимо-

- /.действие электронов с ВЧ полем в квантоворазмерннх структурах как

. в малосигнальном приближении, так и тем более при произвольной

'амплитуде ВЧ.поля. Не были /развиты и методы -учета переменного

Пространственного заряда в этих структурах, требующие самосогла-

сованного решения нестационарных уравнений щредингера и Пуассонл.

исследования в етих. направлениях, проводившиеся автором в

'.---':течении ряда, лет,- обобщены в настоящей диссертации.

j Пельтг предмет ; исследований. Цель работы - теоретическое

"' исследование электронного' транспорта в субмикронных структурах

/полевых транзисторов, нанометровых структурах .-.-.'резонансЕо-

> туннельных даодов и униполярных"лазеровИК диапазона, исследование

ВЧ '-характеристик- втих приборов и выработка рекомендаций . по

.'*. совершенствованию их структур.

В работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработка математических моделей,.алгоритмов и программ, ;* позволяющих исследовать продольный электронный тргнспорт в субмикронных транзистрных гомо- и гетероструктурах за приемлемые счетные времена на современных ЭВМ.

"2. Разработке математичедсих моделей, позволяпцих исследовать .прохождение, электронов через нанометровые . квантоворазмерные структуры в высокочастотных полях.

3.: Исследование с помощью разработанных моделей физических процессов, протекающих в структурах нолевых транзисторов, резонансно-туннельных диодов и униполярных лазеров, исследование ВЧ "характеристик этих приборов и выработка практических рекомендаций по совершенствованию их структур.

Научная новизна работы состоит:

  1. В разработке оригинальных математических'. моделей, гозво- . '.:;', ляющих исследовать электронный траясяорт в транзисторных гомо- и гетероструктурах, рассчитывать высокочастотные и шумовые характеристики ПГШ и ИГ ГСЛ с субмикронным затвором. .

  2. 8 исследовании электронных процессов в этих транзисторах и анализе их ВЧ характеристик в условиях нелокального разогрева .;_-' электронов при размерах активной области транзисторов.сравнимой с характерной длиной разогрева.

  3. В разработке моделей, дозволяющих исследовать прохождение электронов через квантоворазмерныв структуры в высокочастотных: полях, исследовании физических процессов, протекавших в этих : структурах, и их ВЧ характеристик.

При этом получен ряд новых результатов, основные из . которых. сформулированы в виде следущих научных положений, выносимых на ' защиту.

t. диффузия электронов псі затвором транзистора слабо влияет аа величину всплеска дрейфова скорости. электронов, а инерционность изменения импульса ія*ї> становится существенной (изменяет в расчетах характеристики прибора более чем въ 20* ) даже при длинах активной области заметно превышаясей длину релаксации импульса.

  1. Для увеличения быстродействия полевых транзисторов следует максимально уменьшить длину нелокального разогрева электронов. Это «жет быть достигнуто как путем создания резких п*~п структур, так і гетероинжектора горячих электронов.

  2. Низкий коэффициент шума ПГШ обусловлен не "только высоким соэффициентом корреляции между флуктуацдями тока в канале и навеянного тока затвора, но и, в значительной мере, некоррелировак-юстью локальных флуктуации как по длине, так и по ширине транзистора.

  3. Низкочастотные шумы устройств на субмикроЕкых полевых ранзясторах могут быть значительно снижены путем использования яецлального профиля легирования, минимизирующего влияние врвичных низкочастотных флуктуации на входную емкость полевых ранзисторов.

5. Тонкие барьеры и короткие пролетные участки с

- .. локализованным высокочастотным полем могут обладать . отрицательной -динамической проводимостью.

:. 6. При прохождении электронов через квантоворазмерные структуры с сально и немонотонно изменящимся .-. коэффициентом прохождения наиболее вероятно взаимодействие q высокочастотным "; -'. полем с переходом электронов в диапазон энергий, при которых коэффициент прохождения через структуру максимален.

"'.''. 7.' Переменный пространственный заряд ограничивает вероятность резонансного взаимодейсгвия электронов с высокочастотным полем г двухбарьерных структурах при переходах между соседними уровнями и в.десятки раз подавляет вероятность переходов с изменением номера уровня больше чем на единицу.

8. В несимметричных двухбарерных структурах под воздействием высокочастотного поля .коэффициент отражения проходящих через резонансные уровни электронов может уменьшаться до нуля.

, ~ , 9. Разработанные методы . решения . нестационарного уравнения ; Щредингера и самосогласованных нестационарных уравнений Щредингера и Пуассона - эффективны при исследованнии взаимодействия с высокочастотным полем электронов, проходящих через квантоворазмерные .структуры. ,.

Практическая ценность работы состоит в:

1 .Разработке математических моделей и программ, позволяющих рассчитывать высокочастотные и шумовые характеристики субмикрошшх полевых транзисторов за приемлемые счетные времена на современных ЭШ, исследовании характеристик различных типов ПТ и разработке

конкретных практических рекомендаций со совершенствованию - и:-: структур.

2. Разработке простых моделей, позволяющих исследовать прохождение электронов через квантоворазмерные структуры в высокочастотных нолях, и разработке практических рекомендаций по совершенствованию резонансно-туннельных., розснансно-туннельпо пролетных диодов и униголярннх лазеров ИК~ диапазона.

ДцроРация работа. Основные результата работа докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (г.Ленинград, 1984г.), Всесоюзном совещании "Фосфид индия в полупроводниковой электронике" (г.Кишинев, 138Ьг.),

зминаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками полупроводниково-диэлектрическими струі:турами" (г.Саратов, 1985

.), IV, V и VI Всесоюзных конференциях 'Флуктуационные явления з

їзических системах" (г.Пущино, 1985г., г.Паланга, 1988 и 1991г.),

, II и III Всесоюзных' совещаниях "Математическое моделирование

їзических процессов в полупроводниках и полупроводниковых прибо-

ах" (г.Паланга, 1987г., 1989г., г.Ярославль, 1988г.), XI Всесоюз-

зй конференции по физике полупроводников (г.Кишинев, 1988г.), VII

;есовзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках"

7.Паланга, 1989г.), XII Всесоюзной научно-технической конференции

) твердотельной электронике СВЧ (ГіКиев, 1990г.), V Всесоюзной

знференция по физическим процессам в полупроводниковых гетеро-груктурах. (г.Калуга, 1990г.), семинаре "Горячие электроны в злупроводниковых структурах с пониженной размерностью", (г.Ззенк-

зрод, 1990г.), V Международной конференции по сверхрешеткам и

ітероструктурам {1991, Berlin, Germany), Международном симпозиуме ) полупроводниковым приборам (1991, Charlottesville, USA), їгдународнкЕх симпозиумах "НАНОСТРУКТУРЫ: физика и технология"

!t.Petersburg, Russia, 1993 и 1994 г.), IX КНГС по малошумящим

:тройствам мм. диала зона длин волн (г.Горький, 1984г.), 1,11 и

1 Отраслевом семинаре по монолитным схемам (г.Фрязино, 1935,

)87, 1989г.), Республиканской конференции "Математическое модели-івание полупроводниковых приборов" (г.Рига, 1988г.).

Публикации. По матерьялам диссертации опубликовано 77 ічатннх работ. Список основных статей приведен в конце реферата.

Личный вклад соискателя. В работах с соавторами соискателю жнадлеяит приоритетная роль в разработке математических моделей. проведении расчетов, а во многих случаях в постановке задачи и лерпретации полученных результатов.

диссертация состоит из ззедекия, секи глав и заключения.

— О