Ви є тут

Інтегровані датчики потужності випромінювань на основі комбінованих твердотільних структур

Автор: 
Кісельов Єгор Миколайович
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2007
Артикул:
3407U000074
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ДАТЧИКА МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ

2.1. Особенности исследования биполярного транзистора с полевым управлением
Замена дорогостоящего технологического эксперимента вычислительным невозможна без использования эффективных математических моделей, обладающих достаточной полнотой и точностью. Для современных элементов кремниевых ИС таким требованиям удовлетворяют модели, основанные на численном решении уравнений диффузионно-дрейфовой модели полупроводника в двумерном приближении [59 - 62], применение которых ограничивается быстродействием и объемом памяти вычислительной техники. Кроме этого, статистические разбросы значений исходных параметров, свойственные технологическим процессам производства изделий электронной техники, могут нивелировать высокую точность таких моделей [63].
Основным уравнениям, описывающим физические процессы в полупроводниках, могут быть поставлены в соответствие эквивалентные схемы. Расчет таких схем с помощью методов теории электрических цепей является одним из основных подходов к моделированию полупроводниковых компонентов. Это объясняется тем, что за последние годы достигнуты значительные успехи при использовании ЭВМ для анализа и расчета электрических цепей. На базе этих методов разработаны программы анализа, в которых выбор переменных, характеризующих состояние схемы, формирование системы уравнений, описывающих схему, и распределение памяти ЭВМ под числовые и программные массивы выполняются автоматически. Такие программы позволяют не только получить решение задачи, но и максимально упростить ее подготовку к решению на ЭВМ [64-66].
Необходимо учитывать также, что при проектировании ИС задачу построения моделей компонентов нельзя рассматривать обособленно от задач расчета и проектирования всей схемы, создаваемой на разрабатываемых компонентах [67]. Следовательно, для построения моделей компонентов желательно использовать те же алгоритмы и программы, что и для расчета схем. В этой связи применение методов теории электрических цепей с использованием автоматизированных программ их анализа для разработки моделей полупроводниковых приборов оказывается весьма эффективным [68].
Развитие физики и технологии полупроводниковых приборов и ИС приводит к непрерывному появлению все новых разновидностей компонентов. Ряд традиционных компонентов (таких как биполярные и МДП - транзисторы) при использовании новых технологических процессов существенно изменяются, что предполагает создание новых, достаточно точных и в то же время простых и удобных для представления в ЭВМ моделей.
Известны [69] микроэлектронные датчики основанные на зависимости явлений токопереноса в твердотельных структурах от различных внешних воздействий. В [70] предложено семейство датчиков с расширенными функциональными возможностями, в которых микроэлектронные структуры используются для адаптивного преобразования внешнего воздействия в электрический сигнал. При этом дополнительные возможности в управлении, обработке сигналов и применении датчиков достигаются за счет использования биполярного транзистора с полевым управлением (БТПУ).
Алгоритм построения предложенных датчиков представлен на рис. 2.1.
Этапы алгоритма построения датчиков имеют сложную структуру. Предлагаемый подход к моделированию заключается в применении к каждому элементу датчика отдельного уровня описания происходящих в нем процессов:
Уровень 1 - физико-топологическое моделирование БТПУ, описывающее процессы внутреннего токопереноса. Используется модель полупроводника в диффузионно - дрейфовом приближении и ее решение с помощью программ численного моделирования твердотельных структур (MicroTec 3.0, PISCES 2b, T-CAD Studio [71] и др.), или моделирование БТПУ на основе его эквивалентной схемы с помощью программ схемотехнического моделирования (МАЭС-П [72], SPICE и др.). В последнем случае идентификация параметров элементов эквивалентной схемы осуществляется с помощью специальных аналитических методов или на основе результатов измерений параметров БТПУ.
Уровень 2 - моделирование физических процессов, описывающих взаимодействие чувствительного элемента (ЧЭ) с контролируемым внешним воздействием, а также моделирование процесса преобразования физических величин в электрический сигнал.
Уровень 3 - схемотехническая модель датчика, представляющая его схему замещения, в которую ЧЭ входит в виде источника тока (напряжения), параметры которого зависят от величины внешнего воздействия. На этом уровне соединяются выходные данные уровней 1 и 2, рассчитываются форма и величина выходного сигнала датчика и определяется величина сигнала адаптации.
Применение описанного подхода позволяет моделировать датчики, используя стандартные, отработанные системы автоматизированного проектирования твердотельных структур и электрических схем, не требующих значительных вычислительных ресурсов. Этот подход лег в основу системы моделирования датчиков, дополненной программными интерфейсами, связующими его уровни.
Ниже приведены результаты разработки модели, обеспечивающей расчет вольт - амперных характеристик (ВАХ) БТПУ [73], а также оценка адекватности моделирования по экспериментальным данным и результатами расчетов по программам моделирования электронных компонентов и схем.
БТПУ относится к би - МОП твердотельным компонентам ИС [74, 75], наиболее близкими к которому по технологической сущности являются биполярный изопланарный транзистор [76], U-МОП, D-МОП [77] и TIGB -транзисторы [78]. Конструкция устройства приведена на рис. 2.2. Прибор содержит подложку из р-Si, на которой выполнена изопланарная транзисторная структура со скрытым n+-слоем и боковой SiO2-изоляцией, особенностью которой является то, что в ней с помощью анизотропного травления выполнен паз, дно которого располагается в области коллектора 4, а области базы и эмиттера ограничены одной из стенок паза, где сформирован слой SiO2 и дополнительный полевой электр