Моделювання субмікронних компонентів інтегральних схем на сполуках AIIIBV

У потужних польових транзисторах НВЧ, що працюють у режимі великого сигналу, при деяких значеннях напруг живлення температура розігріву може досягати досить високих величин. Це призводить до саморозігріву транзистора й, як наслідок, до зміни його експлуатаційних характеристик. Крім того, у субмікронних польових транзисторах має місце розігрів електронів сильним електричним полем і у результаті температура електронного газу може досягати кілька тисяч кельвінів. Розподіл електронів по енергіях (і, отже, по температурах) уздовж структури транзистора має яскраво виражений максимум біля стокового краю затвора, що пов'язано з розігрівом електричним полем і переважно міждолинним розсіюванням носіїв заряду з наступною релаксацією в міжелектродному просторі затвор-стік.

У потужних субмікронних транзисторах НВЧ багато граничних параметрів пов'язано з перегрівом, викликаним струмом, що протікає. На експериментальному рівні такий аналіз практично не реалізується, але необхідний для оптимального проектування як окремих транзисторів, так і монолітних НВЧ пристроїв. Самоузгоджений аналіз теплових і електронних процесів у транзисторних структурах практично неможливий внаслідок різного масштабу явищ, що моделюються: електронні процеси протікають в активній області транзистора з розміром порядку 0,1...1 мкм, а аналіз теплових явищ пов'язаний з областю моделювання до 100 мкм.

Як модельна задача розглядається ефект впливу саморозігріву струмом, що протікає, на параметри потужного польового транзистора з урахуванням попереднього аналізу загального теплового стану всієї транзисторної структури. Результати цього аналізу дозволяють надалі провести розрахунок розподілу теплових полів в активній області транзистора й промоделювати їх вплив на електронні процеси в каналі й, відповідно, на параметри транзистора.

При розрахунках розподілу тепла використовується ряд припущень, що спрощують аналіз. Розглядалася монокристалічна пластина напівпровідника із задаванням на її поверхні граничних умов першого роду. Уважається, що матеріал арсенід-галійової пластини ізотропний, теплофізичні параметри матеріалу вважаються постійними й незалежними від температури. Оскільки основне тепловиділення відбувається в дуже тонкому шарі порядку 0,2 мкм, то приймається, що цей шар є джерелом тепла з боку затвору.

Як показують результати моделювання, є області, у яких температура решітки на 50-70 градусів перевищує рівноважну. Такими областями є, крім каналу, області контакту витоку і стоку. Температура електронів під затвором може істотно відрізнятися від рівноважної внаслідок розігріву й междолинних переходів. При цьому “повільні” електрони верхніх долин зменшують середню дрейфову швидкість колективного руху, що призводить до процесів нагромадження носіїв заряду в області сильного електричного поля під затвором. Це означає, що для моделювання впливу розігріву на електронні процеси в каналі транзистора необхідно враховувати відмінні від рівноважних значення енергії, швидкості, ефективної маси носіїв заряду. Крім того, запропонована модель аналізу теплових процесів дозволяє досліджувати граничні, з погляду розсіюваної потужності, режими роботи польових транзисторів із субмікронними розмірами активної області.

Аналіз розподілу температур з екстремумом у приповерхньому шарі поблизу затвора свідчать про необхідність врахування високих градієнтів температур при проектуванні транзистора. При цьому необхідно враховувати вплив високих температур на електромеханічні властивості затвора і бар'єрного контакту. Спільне використання фізико-топологічних і теплових моделей субмікронних структур дозволяє також оптимізувати їх структуру, вихідні параметри і характеристики.

Отримані результати свідчать про суттєві особливості розподілу теплових полів у області під затвором транзисторної структури, пов'язані з наявністю приповерхнього шару з підвищеною температурою, що збільшує ефект саморозігріву в транзисторі як за рахунок додаткового розігріву електронів у каналі, так і за рахунок їх розігріву у витоковій і стоковій областях за межами активної області. При цьому підвищується температура носіїв заряду, інжектованих з витоку до активної області, що підвищує імовірність їх міждолинного розсіювання. В області стоку це приводить до затримки процесів релаксації енергії.

Погіршення параметрів транзисторної структури при додатковому розігріві (зменшення дрейфової швидкості і рухливості носіїв заряду, зростання шуму) обумовлено як збільшенням паразитних опорів, так і розігрівом електронного газу в каналі, що призводить до зменшення рухливості електронів.

З наведених розрахунків і результатів моделювання, видно, що для адекватного моделювання і врахування ефекту саморозігріву важливим є не тільки опис залежного джерела, що відтворює нелінійні процеси в транзисторі, але й вибір значення баластового опору, що враховує в схемній моделі ГСБТ вплив зазначених ефектів.

Показано ступінь впливу ефектів саморозігріву на вихідні частотні характеристики транзисторного підсилювача надвисоких частот. У режимах роботи транзистора, коли ефекти саморозігріву більш помітні, коефіцієнт підсилення зменшується у всьому діапазоні робочих частот. Коефіцієнт шуму ГСБТ збільшується як внаслідок впливу ефекту саморозігріву на фізичні процеси в області переходів, так і появою додаткових баластових елементів схемної моделі пасивних областей бази і емітера.

У сьомому розділі розглянуто моделі для розрахунку відрізків мікрохвильових ліній передачі (МХЛ) на напівпровідниковій підкладці, придатні для аналізу багатошарових тонкоплівкових структур і структур зі складною топологією. Запропоновано моделі й алгоритми розрахунку параметрів і часових характеристик МХЛ, які дозволяють ураховувати ефекти неоднорідності розподілу електричних полів у МХЛ, а також розраховувати схемотехнічні й фізико-топологічні параметри МХЛ. Визначення параметрів ліній передачі зі складною топологією і багатошаровими структурами, виконаних на напівпровідниковій підкладці (наприклад, на арсеніді галію або фосфіді індію), досить утруднено. Крім того, одержання розподілів часових характеристик сигналів уздовж лінії, особливо для сигналів зі складним спектром або імпульсних сигналів, вимагає розробки нових методик. Один з підходів полягає у використанні моделей різного рівня складності для одержання розподілів фізичних величин і інтегральних параметрів лінії. Двовимірні моделі, засновані на розв'язанні рівнянь Пуассона (або Лапласа) і хвильового рівняння, дають можливість одержання розподілів електричного поля і вихідних характеристик у наближенні ТEM-хвилі. Використовуючи процедури усереднення отриманих розв'язань можна одержати інтегральні параметри лінії, такі як хвильовий опір, постійна поширення, ефективне значення діелектричної проникності та ін.

Хвильовий опір для гармонійних сигналів це

,

де напруга в найпростішому випадку може бути знайдена як інтеграл

при відомих розподілах напруженості електричного поля між провідними смужками мікрохвильової лінії. Для одержання більш точного результату (з урахуванням крайових ефектів) інтегрування проводиться по поверхні з використанням процедури усереднення. При розрахунку сумарного струму в лінії необхідно враховувати як струм у провідній смужці, так і струми витоку через напівпровідникову підкладку.

Розподіл хвиль напруги уздовж лінії пов'язано з розв'язанням хвильового рівняння.

Розрахунок проводився з використанням процедури дискретизації області, що моделюється, відповідно до методу скінченних елементів. При цьому система рівнянь зводиться до системи лінійних алгебраїчних рівнянь з матрицею коефіцієнтів з діагональною обумовленістю ненульових елементів (до стрічкової матриці). У цьому випадку використовується метод LU-перетворення. У випадку нерегулярної сітки застосовується комплекс методів для лінійних систем і ітераційних методів розв'язання нелінійних рівнянь.

Отримані параметри МХЛ можуть використовуватися для уточнення розрахунків в аналітичних моделях і при розрахунку часових і частотних характеристик перетворювальних пристроїв, виготовлених за технологією монолітних ІС.

Розширення робочого діапазону субмікронних транзисторів у міліметрову область приводить до необхідності обліку розподілених ефектів уздовж третьої координати - уздовж ширини затвора.

Для моделювання перехідних процесів у мікрохвильових польових структурах з розподіленими параметрами в часовій області використано підхід, пов'язаний з моделюванням струмів і напруг у поперечній площині з використанням нелінійної моделі транзистора у поперечній площині для диференціального відрізка лінії з подальшим розв`язком хвильових рівнянь для струмів і напруг уздовж затворної лінії (третьої координати). Постійна поширення і хвильовий опір лінії визначаються її параметрами в поперечній площині.

Результати моделювання розподіленої субмікронної структури гетеротранзистора дозволяють оцінити втрати в затворній лінії передачі й використати розподілену модель для оптимізації параметрів структури транзистора. З огляду на спільність вихідної системи рівнянь, її можна також використати для аналізу параметрів ліній передачі на активних підкладках, ліній затримок, кіл узгодження та ін.

Проведено аналіз моделей пасивних і активних кіл, що входять до складу КВЧ підсилювача із розподіленим посиленням (ПРП). Отримано й обґрунтовано рівняння для аналізу імпедансних і підсилювальних частотних характеристик багатосекційного ПРП з неоднорідними секціями.

Оскільки розглядається загальний випадок, коли всі секції підсилювача різні, для повного аналізу необхідно враховувати багаторазове відбиття хвиль напруги і струму між секціями в кожній лінії. Через позначені коефіцієнти відбиття і проходження хвиль струму і напруги у відповідних перерізах затворної лінії в прямому () і зворотному ( ) напрямку. Подібні співвідношення використано й для коефіцієнтів у перерізах стокової лінії.

З урахуванням отриманих формул для вхідної і вихідної напруги визначається частотна характеристика коефіцієнта підсилення напруги підсилювача:

.

Отримані аналітичні співвідношення придатні для аналізу й оптимізації параметрів активних і пасивних компонентів ПРП, а також визначення оптимальної кількості секцій підсилювача по заданих вихідних частотних характеристиках.

Розроблено процедуру ідентифікації (масштабування) параметрів схемної моделі субмікронних гетеротранзисторів. Наведено приклади і розраховані статичні й малосигнальні параметри, проведено аналіз похибок масштабування. Методика придатна для широкого класу транзисторів.

Одним з факторів, що визначає параметри субмікронних структур є технологічні неоднорідності, необхідність врахування яких пов'язана з їх сумірністю з розмірами активних областей. Тому потрібно провести адекватне моделювання технологічних неоднорідностей, що необхідно для визначення оптимальних геометричних й електрофізичних параметрів (міжелектродних відстаней, товщин шарів і концентрацій носіїв заряду в них та ін.) і електричні параметри.

Розроблено методику моделювання розмірних ефектів, пов'язаних із впливом технологічних неоднорідностей субмікронної структури транзисторів. Представлено результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу морфології омічних контактів на НВЧ параметри GaAs польових транзисторів з бар'єром Шотткі.

Методика моделювання випробувана на дослідженні впливу на параметри ПТШ неоднорідностей опору витоку і стоку, обумовлених різним питомим контактним опором і глибиною проплавлення омічних контактів, що визначається морфологією. Параметри активної області транзистора вибиралися фіксованими, тобто задавалися як деякі середні ефективні значення. Транзистор із шириною затвора W представлявся еквівалентним чотириполюсником, який описується малосигнальною схемною моделлю із зосередженими параметрами, розрахованими на основі фізико-топологічної моделі, що враховує нестаціонарні ефекти.

Параметри чотириполюсника у вигляді матриці провідності і матриці розсіювання розраховувались методами аналізу електронних схем. Очевидно, що повна структура транзистора являє собою ланцюжок паралельно з'єднаних чотириполюсників. Шумові параметри окремих секцій і транзистора в цілому моделювалися на основі матриці спектральних густин потужності шуму (ф-матриці) за умови адитивності шумів структури у припущенні відсутності кореляції між шумами окремих секцій. Параметри, які характеризують неоднорідності кожної секції, задавались детермінованою функцією, якщо відомий закон їхньої зміни уздовж ширини затвору, або ж як випадкові величини методом Монте-Карло. Довжина вибірки випадкових чисел за заданим законом розподілу визначалась кількістю секцій структури транзистора. Результуюча матриця провідності ланцюжка являє собою суму матриць провідності елементарних секцій.

Експериментальні результати і розрахунки коефіцієнта підсилення потужності і температури шуму ПТШ на частоті 12 ГГц без урахування і з урахуванням неоднорідностей з максимальною дисперсією 50%, а також результати вимірів середньостатистичних значень цих параметрів. Проведені дослідження показують, що температура шуму Т_ш зі зниженням температури від 300 К до 80 К зменшується приблизно в 4 рази для типових транзисторів і в 5 разів для транзисторів з поліпшеною морфологією стоку і витоку і досягає менше 20 К. Величина К_ур при цьому збільшується приблизно на 2,5 дБ. Аналогічний характер температурних залежностей К_ур і Т_ш підтверджується результатами моделювання. Значною мірою це можна пояснити тим, що в ПТШ із поліпшеною морфологією омічних контактів при охолодженні за рахунок зменшення впливу термопольової емісії питомий опір буде мати менший вплив на параметри приладу.

Таким чином, встановлено, що основні НВЧ параметри польових транзисторів з бар'єром Шотткі залежать від морфології омічних контактів. Запропонована модель ПТШ для врахування неоднорідностей дає можливість із високим ступенем імовірності в широкому температурному діапазоні розрахувати коефіцієнт підсилення потужності й шумову температуру ПТШ, що підтверджується експериментальними результатами.

ПТШ із поліпшеною морфологією омічних контактів мають кращу динаміку росту коефіцієнта підсилення потужності і зниження шумової температури при охолодженні структури в температурному діапазоні від 300 К до 80 К. Дана методика може бути також поширена на аналіз розмірних ефектів у субмікронних гетеротранзисторах.

Розглянуто особливості конструкції і моделей субмікронних гетероструктурних транзисторів та елементів узгодження, а також особливості аналізу характеристик монолітного підсилювача на частотах 150-160 ГГц. Запропоновано алгоритми розрахунку частотних параметрів і частотних характеристик підсилювача на CГСТ, які дозволяють моделювати вихідні характеристики підсилювача в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Доведено, що визначальними для НВЧ і КВЧ систем є наступні властивості: коефіцієнт жорсткості даного класу систем перебуває в межах 10⁶-10¹⁰, спектр власних коливань системи розподілений по всій комплексній площині; у спектрі власних коливань однозначно неможливо виділити “м'які” й “тверді” компоненти, у рішенні наджорстких систем відсутній “граничний шар”, характерний для жорстких систем рівнянь; частка жорстких компонентів спектра становить 80-90% від загальної потужності власних коливань.

Представлено обчислювальні схеми для інтегрування нелінійних рівнянь з використанням неявного метода Рунге-Кутта 5,7-го порядків, заснованого на квадратурних формулах Радо.

Досліджено питання формування нелінійних математичних моделей у розширеному координатному базисі, коли поряд із вузловими потенціалами вводяться додаткові рівняння для струмів деяких елементів. Алгоритмізація даного етапу з використанням декомпозиції складних систем з урахуванням частотних властивостей дозволяє значно підвищити ефективність схемотехнічного моделювання радіоелектронних кіл НВЧ і КВЧ діапазону.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі запропоновані нові науково обґрунтовані математичні моделі, проведені комплексні дослідження фізичних механізмів і процесів у субмікронних інтегральних структурах на основі напівпровідникових сполук A^IIIB^V для інтегральних схем із субмікронними розмірами областей активних компонентів і розроблено широкий ряд моделей приладів, включаючи гетероструктури, з урахуванням субмікронних ефектів, що забезпечує розв'язання значної науково-прикладної проблеми в галузі технічних наук - розробки перспективних субмікронних транзисторів з бар'єром Шотткі, транзисторів з гетероселективним легуванням і гетеробіполярних транзисторів із заданими параметрами і характеристиками, інтегральних пристроїв на їх основі і удосконалення технології виготовлення.

Розв'язання даної проблеми забезпечується системними підходами до моделювання субмікронних багатошарових польових структур на основі напівпровідникових сполук A^IIIB^V, розробкою способів і єдиних підходів до аналізу нестаціонарних процесів дрейфу носіїв заряду в сильному електричному полі на основі релаксаційних рівнянь, розробкою ряда моделей для аналізу субмікронних ефектів, опису фізичних процесів взаємодії хвиль міліметрового діапазону з потоками носіїв заряду в сильному електричному полі, створенням адаптивних процедур і алгоритмів аналізу пристроїв із субмікронними компонентами для моделювання їх частотних, часових і шумових характеристик.

1. Найбільш істотні теоретичні результати:

- уперше з єдиних позицій проаналізовані, узагальнені та сформульовані закономірності та особливості фізичних ефектів, властивих субмікронним структурам з розмірами, порівнянними з довжиною вільного пробігу електронів, обґрунтовано й створено ієрархічний ряд математичних моделей різного рівня, визначені функціональні особливості субмікронних приладів і умови застосовності їх моделей до завдань адаптивного проектування;

- проаналізовано швидкісні властивості транзисторних структур і виявлено вплив субмікронних ефектів шляхом доповнення системи фундаментальних рівнянь переносу носіїв заряду в багатодолинних напівпровідниках обґрунтованою системою двовимірних релаксаційних рівнянь збереження імпульсу, енергії і часток для аналізу нестаціонарного дрейфу з урахуванням різних видів розсіювання;

- створені математичні моделі, що описують граничні режими роботи транзисторів: субпороговий режим, режим відкритого каналу й інверсний режим; визначений вплив цих ефектів на функціонування приладів; визначені фактори, які визначають нелінійні властивості транзисторів у широкому діапазоні живлячих напруг і рівнів сигналу;

- установлені джерела шуму, запропоновані нові моделі і методика аналізу шумових характеристик, які відрізняються врахуванням процесів нестаціонарного переносу, впливу параметрів транзисторних структур і бар'єра на границі канал-підкладка і дана фізична інтерпретація експериментальних характеристик субмікронних польових транзисторів у малошумлячому режимі;

- виявлено новий принцип керування струмом субмікронного транзистора при напругах на затворі, близьких до відсічки, пов'язаний з надбар'єрною „емісією” електронів з витоку, розвинута та показана можливість керування струмом стоку не тільки внаслідок зміни товщини провідного каналу, але й за рахунок впливу стокової напруги на просторовий заряд у витоковій частині каналу, що актуально для приладів, які функціонують у режимі малого шуму, а також транзисторів з довжиною затвору біля 0,1 мкм;

- розвинута та вдосконалена методика двовимірного моделювання транзисторів з високою рухливістю електронів на основі релаксаційної системи рівнянь, що дозволяє описувати субмікронні ефекти: “сплеск” дрейфової швидкості, розігрів у сильному електричному полі, міждолинний перенос, шунтуючий вплив підкладки, квазібалістичний ефект;

- розроблені та проаналізовані двовимірні математичні моделі й алгоритми моделювання субмікронних гетеробіполярних транзисторів у дифузійно-дрейфовому наближенні для електронів і дірок, що включають рівняння для аналізу впливу сильного легування й розігрівних ефектів, визначені області з найбільшими градієнтами електричних полів і температур, що дозволяє виробити рекомендації для оптимізації параметрів транзисторних структур;

- фізично обґрунтована і розроблена методика врахування розмірних ефектів, включаючи вплив ефектів у третьому вимірі транзисторних структур, що визначає особливості функціонування активних і пасивних компонентів монолітних інтегральних схем КВЧ, зокрема, розподілених ефектів і впливу технологічних неоднорідностей, розроблені моделі і алгоритми для аналізу НВЧ і КВЧ компонентів і кіл, придатні для моделювання монолітних і об'ємних інтегральних схем;

- запропонована методика моделювання малошумлячих і широкосмугових субмікронних пристроїв на основі транзисторів на сполуках A^IIIB^V, ліній передачі на напівпровідниковій підкладці складної конфігурації. Отримано аналітичні вирази для аналізу характеристик надширокосмугових підсилювачів з розподіленим підсиленням з неоднорідними секціями, придатні для оптимізації параметрів підсилювачів.

2. Найбільш істотні практичні результати:

- запропоновано ієрархічний ряд математичних моделей, орієнтований на дослідження фізичних характеристик транзисторних структур і інженерні розрахунки в практиці проектування електронних компонентів;

- параметри структур і апроксимації, отримані на основі двовимірного моделювання, можуть використовуватися в пакетах схемотехнічного проектування субмікронних структур і оптимізації параметрів напівпровідникових структур і їх технології;

- на основі результатів аналізу субмікронних ефектів розроблені критерії оптимального вибору параметрів субмікронних транзисторів і мікроелектронних пристроїв за підсилювальними і шумовими параметрами з урахуванням граничних режимів роботи і нелінійних ефектів, що дозволяє оптимізувати їх характеристики на етапі проектування і виготовлення;

- розроблено математичні моделі субмікронних транзисторів - з бар'єром Шотткі, транзисторів з гетероселективним легуванням і гетеробіполярних транзисторов, придатні для використання в САПР пристроїв міліметрового діапазону;

- розроблені процедури й алгоритми аналізу й спроектовані малошумлячі і багатокаскадні підсилювачі на субмікронних ПТШ і гетеротранзисторах з довжиною затвору 0,2-0,4 мкм, що працюють у діапазоні частот 1-40 ГГц на зосереджених елементах і відрізках ліній передачі.

3. Проведено верифікацію розроблених моделей на широкому масиві експериментальних даних: статичних, малосигнальних, частотних підсилювальних і шумових характеристик. Вплив описаних у роботі фізичних ефектів підтверджено експериментальними даними.

За результатами проектування створені та впроваджені приймальні пристрої для авіаційних метеорологічних локаторів, систем супутникового дистанційного зондування земної атмосфери, прикладної радіоастрономії на радіотелескопі РАТАН-600.

Напрям подальших наукових досліджень і прикладних розробок та опис фізичних ефектів пов'язані із застосуванням нових матеріалів (наприклад, на основі нітридів елементів ІІІ групи) і характерними розмірами активних компонентів менш 0,1 мкм з урахуванням у транзисторних структурах при моделюванні специфічних фізичних механізмів і ефектів - квантово-розмірних ефектів, ефектів, пов'язаних з високими рівнями легування тонких шарів, нових фізичних процесів у тонкоплівкових багатошарових гетероструктурах та ін.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Тимофєєв В.І. Моделювання релаксаційних процесів розігріву електронного газу в субмікронних гетеротранзисторах // Наукові вісті НТУУ „КПІ”.-2004.-№5.-С.23-29.

2. Тимофеев В.И. Моделирование процессов токопереноса в субмикронных гетеробиполярных транзисторах // Электроника и связь.-2004.-№23.- С.57-60.

3. Тимофеев В.И. Анализ разогревных эффектов в субмикронных гетеробиполярных транзисторах // Вісник Черкаського державного технологічного университету. Сер. Радіотехніка і приладобудування.-2004.-№4.-С.72-78.

4. Тимофеев В.И. Двумерное численное моделирование субмикронных полевых структур // Электроника и связь”.-2004.-№22.-С.137-140.

5. Москалюк В.А., Тимофеев В.И., Иващук А.В. Расчет релаксационных параметров GaAs в сильных полях // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.- 2003.-№3.-С. 61-64.

6. Тимофеев В.И. Методы численного моделирования субмикронных устройств во временной области // Электроника и связь.-2002.-№15.-С.46-48.

7. Тимофеев В.И. Шумовые свойства субмикронных гетеробиполярных транзисторов // Электроника и связь.-2002.-№16.-С.112-115.

8. Григорук А.А., Тимофеев В.И. Анализ моделей гетероструктурных полевых транзисторов для схемотехнического моделирования // Электроника и связь.-1996. -№1. - С. 45-54.

9. Тимофеев В.И., Фан Хонг Фыонг. Методика моделирования нелинейных режимов работы усилителей на субмикронных ПТШ // Изв. ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника.- 1995.- №11.-С. 26-31.

10. Семеновская Е.В, Тимофеев В.И. Моделирование теплового режима в субмикронных транзисторах с гетероселективным легированием // Электроника и связь. -2001.-№13.- С.32-36.

11. Семеновская Е.В., Тимофеев В.И. СВЧ методы измерения температурных полей // Электроника и связь.-2000.- №8. -Т.2. - С. 236-265.

12. Григорук А.А., Тимофеев В.И. Анализ моделей гетероструктурных полевых транзисторов для схемотехнического моделирования // Электроника и связь.-1995.-№1.- С. 45-54.

13. Григорук А.А. Тимофеев В.И. Жестко-устойчивые численные методы для САПР микроэлектронных устройств СВЧ // Электроника и связь.- 1997. - №2. -С. 168-173.

14. Семеновская Е.В., Приходько Н.В., Тимофеев В.И. Физико-топологическое моделирование теплового режима мощного субмикронного полевого транзистора СВЧ // Электроника и связь.-2000. - № 9.- С. 140-142.

15. Семеновская Е.В., Тимофеев В.И., Приходько Н.В. Анализ моделей и тепловых режимов гетеробиполярных субмикронных транзисторов // Электроника и связь. - 2001. - № 10.- С. 133-136.

16. Григорук А.А., Тимофеев В.И. Верификация нелинейных моделей электронных цепей СВЧ на классе жестко-устойчивых численных методов // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника.-1998.- № 1.- С.41-51.

17. Амини М., Тимофеев В.И. Численное моделирование линий передачи на полупроводниковой подложке миллиметрового диапазона // Электроника и связь.- 2003-№20- С.153-156.

18. Григорук А.А., Тимофеев В.И., Фан Хонг Фыонг. Нелинейные модели гетеробиполярных транзисторов // Электроника и связь.-1997.-№3.-С.109-118.

19. Григорук Н.В., Приходько А.А., Тимофеев В.И. Анализ переходных процессов в арсенид-галлиевых структурах с распределенными параметрами // Электроника и связь".-1998.-№4.-С.359-361.

20. Іващук А.В., Тимофєєв В.І. Вплив морфології омічних контактів на надвисокочастотні параметри польових транзисторів // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.- 2000.-№35.-С.157-161.

21. Семеновская Е.В., Приходько Н.В., Тимофеев В.И. Моделирование объемно-интегральных активных полевых субмикронных структур // Электроника и связь.-2001.-№11.-С.134-136.

22. Тимофеев В.И., Фан Хонг Фыонг. Обобщенный анализ усилителей с распределенным усилением // Электроника и связь.-2002.-№17.-С.92-96.

23. Москалюк В.А., Тариелашвили Г.Т., Тимофеев В.И. Анализ разогревных процессов в мощных полевых транзисторах // Электроника и связь.- 1998.-№4.-С.562-564.

24. Григорук А.А., Тимофеев В.И.Масштабирование нелинейных моделей гетерополевых транзисторов // "Электроника и связь".-1998.- №5.-С.63-73.

25. Григорук А.А., Приходько Н.В., Тимофеев В.И. Сверхширокополосные преобразователи миллиметрового диапазона для систем оптоволоконной связи // Электроника и связь.- 1999.-№.6.-Т.2-С.256-264.

26. Іващук А.В., Матуленіс А., Тимофєєв В.І. Вплив морфології омічних контактів на шуми гарячих електронів в транзисторних структурах // Электроника и связь.- 1999.-№7.-С.96-99.

27. Приходько Н.В., Тимофеев В.И. Численный анализ полевых структур с распределенными параметрами во временной области // Электроника и связь.- 2000.-№8.-С.173-174.

28. Блудов А.В., Тимофеев В.И. Схемотехническое моделирование интегрально-волноводных детекторов на субмикронных диодах Шоттки // Электроника и связь.- 2003.-№18.-С.158-160.

29. Мохсен Амини, Тимофеев В.И. Моделирование монолитного усилителя миллиметрового диапазона // Электроника и связь.-2003.-№19.-С.155-157.

30. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Моделирование малошумящего режима субмикронного ПТШ // Изв. ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника.-1993. - Т.36. -№3-4.-С.57-63.

31. Гусельников Н.А., Москалюк В.А., Тимофеев В.И. О создании системы моделирования твердотельных СВЧ-приборов // Автоматизация проектирования в электронике. Респ. межвед. сб., “Техника”.- 1993. -№ 48.- С.15-21.

32. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Моделирование процессов переноса электронов в канале и подложке субмикронного полевого транзистора // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -1990.-Вып. 2 (426).- С. 22-27.

33. Максименко А.Г., Москалюк В.А., Тимофеев В.И. О моделировании субпорогового режима ПТШ // Вестник КПИ, сер. Радиоэлектроника.- 1992.-N29. -С.15-18.

34. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Модель полевого транзистора с барьером Шоттки при открытом затворе // Вестник КПИ, сер. Радиоэлектроника.-1994.- №30.-С.7-10.

35. Тимофєєв В.І. Інформаційні технології в освіті і науці // Вісник Інституту економічного прогнозування НАН України.-2003.-С.55-58.

36. Тимофеев В.И. Идентификация параметров субмикронных ПТШ для сверхбыстродействующих интегральных схем // Труды Междунар. семинара "Теория идентификации нелинейных динамических объектов".- г. Торговиште (Болгария).-1990.-С.30-31.

37. Григорук А.А., Тимофеев В.И. Идентификация параметров модели субмикронного гетеротранзистора для САПР // Труды Междунар. конф. “Проблемы физической и биомедицинской электроники”.- Киев.- 1996. - С.253-257.

38. Григорук А.А., Тимофеев В.И. Анализ математических моделей субмикронных ИС СВЧ на основе GaAs // Труды III междунар. конф. ”Актуальные проблемы электронного приборостроения”. - Новосибирск. - 1996. - Т.6. - С. 23-26.

39. Тимофеев В.И., Григорук А.А., Фан Хонг Фыонг. Развитие численно-временного метода анализа нелинейных цепей для САПР субмикронных ИС СВЧ // Труды третьей международной научно-технической конференции ”Актуальные проблемы электронного приборостроения”. - Новосибирск. - 1996. - Т. 6. - С. 83-88.

40. Москалюк В.А., Минаков В.В., Тимофеев В.И. О роли подложки в субмикронных полевых транзисторах // Труды III Всесоюз. конф. "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и приборах".-Вильнюс.-1989.-С.130-133.

41. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Моделирование субпорогового режима арсенидгаллиевых полевых транзисторов с барьером Шоттки // Труды II республиканского совещания "Численные методы и средства проектирования и испытания элементов твердотельной электроники".-Таллинн.-1989.-С.89-91.

42. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Особенности моделирования субмикронных арсенид-галлиевых полевых транзисторов для цифровых ИС // Труды II республиканского совещания "Численные методы и средства проектирования и испытания элементов твердотельной электроники".-Таллинн.-1989.-С.86-88.

43. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Особенности работы и моделирования субмикронных полевых транзисторов в малошумящем режиме // Труды междунар. семинара "Актуальные вопросы разработки и производства средств приема спутникового телевидения"-Севастополь.-1990.-С.18.

44. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Моделирование субмикронных арсенид-галлиевых полевых транзисторов для сверхскоростных интегральных схем // Труды I Всесоюз. конф. "Компьютерные методы исследования проблем теории и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам."-Москва.-"Радио и связь"-1990.-С.59-60.

45. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. О возможностях квазидвумерной модели для нелинейного моделирования субмикронных арсенид-галлиевых ПТШ // Труды XII Всесоюз. конф. твердотельной электронике СВЧ.-Киев.-1990.-С.18-19.

46. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Моделирование малошумящего режима субмикронного полевого транзистора // Труды XII Всесоюз. конф. твердотельной электронике СВЧ.-Киев.-1990.-С.63-64.

47. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Модели полевых транзисторов для сверхскоростных и сверхвысокочастотных интегральных схем // Труды Всесоюз. конф. "Математическое моделирование в энергетике"- Киев.-1990.-С.161-162.

48. Алесин А.М., Звершховский В.И., Король П.Ф., Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Особенности проектирования малошумящих усилителей СВЧ // Труды II Крымская конф. "СВЧ-техника и спутниковый прием".- Севастополь.-1992.-С.195-199.

49. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Модели субмикронных ПТШ для нелинейных устройств // Труды II Крымская конф. "СВЧ-техника и спутниковый прием". - Севастополь.-1992.-С.200-204.

50. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Моделирование предельных режимов работы субмикронных ПТШ // Труды респуб. конф. "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике".-Киев.-1993.-С.44-45.

51. Алесин А.М., Звершховский В.И., Король П.Ф.,Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Особенности проектирования малошумящих усилителей КВЧ-диапазона // Труды Респуб. конф. "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике".-Киев.-1993.-С.45-46.

52. Алесин А.М., Милованов К.В., Король П.Ф., Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Автоматизированное проектирование и экспериментальные исследования малошумящих усилителей миллиметрового диапазона // Труды Междунар. конф. "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике."-Киев.-1994.-С.187-188.

53. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Физико-топологическое моделирование ПТШ для режима большого сигнала // Труды Междунар. конф. "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике."-Киев.-1994.-С.195-199.

54. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Физико-топологические модели ПТШ для режима большого сигнала // Труды Всеросс. конф. с междун. участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры."- Владимир.-1994.-С.105-106.

55. Москалюк В.А., Тимофеев В.И. Особенности анализа и оптимизации параметров малошумящих устройств СВЧ диапазона // Труды Всеросс. конф. с междун. участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры."- Владимир.-1994.-С.107-108.

56. Poplavko Y.M., Sinecop Y.S., Moskalyuk V.A., Y.V.Prokopenko, Pereverseva L.P., Timofeyev V.I. Thermo-mechanically induced electric field in semi-insulating GaAs and other III-V crystals and application of this new effect.- Термо-механически индуцированное электрическое поле в GaAs и других кристаллах III-V группы и применение этого нового эффекта // Asia-Pacific Microwave Confe-Proceedigs,Tokyo,Japan.-1994.-Vol.3.-P.701-703.

57. Poplavko Y.M., Moskalyuk V.A., Prokopenko Y.V., Timofeyev V.I. Pyrotransistor-GaAs FET with “Pyroelectric-wafer”.- Пиротранзистор на основе GaAs FET c пирозатвором // Proc. of the Ninth International Symposium ISAF`94. IEEE Catalog Number 94CH3416-5.- P.698-700.

58. Алесин А.М., Тимофеев В.И. Особенности проектирования малошумящих широкополосных усилителей // Труды Междунар. конф. “Проблемы автоматизированного моделирования в электронике”. -Киев.-1995.- С.252-253.

59. Prokopenko Y.V., Sinecop Y.S., Moskalyuk V.A., Pereverseva L.P., Poplavko Y.M., Timofeyev V.I. Uncooling GaAs "Pyroelectric" Sensor.- Неохлаждаемый GaAs электрический сенсор // Proc. 7-th International Symposium on Integrated Ferro electrics.- Colorado Springs.-USA -1995.-P.117.

60. Григорук А.А., Фан Хонг Фыонг, Тимофеев В.И. Аппроксимация параметров схемной модели гетероструктурного транзистора для нелинейного анализа // Труды Междунар.конф. "Проблемы физической и биомедицинской электроники"-Киев.-1996.-С.258-261.

61. Москалюк В.А., Тариелашвили Г.Т., Тимофеев В.И. Моделирование мощных полевых транзисторов (электрический режим) // Труды Междунар.конф. "Проблемы физической и биомедицинской электроники" - Киев. - 1996. - С.366 - 369.

62. Prokopenko Y.V., Poplavko Y.M., Moskalyuk V.A., Pereverseva L.P., Timofeyev V.I. Feasibility of one-crystal pyroelectric array.-О возможности создания однокристальной пироэлектрической матрицы // Proc. Gallium Arsenide Application Symposium (GAAS-96).-Paris.-1996.

63. Приходько Н.В., Тимофеев В.И. Анализ подходов к моделированию объемно-интегральных активных полевых субмикронных структур // Труды 7-го международ. Форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”.-Харьков.-2003.-С.82.

64. Семеновская Е.В., Тимофеев В.И. Схемотехническое моделирование теплових эффектов и эффекта саморазогрева в субмикронных гетероструктурных транзисторах // Труды 7-го международ. Форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”.- Харьков.-2003.-С.81.

65. Семеновская Е.В., Тимофеев В.И. Моделирование тепловых процессов в транзисторах с гетероселективным легированием // Труды междунар. конф. “Физика и технология тонких пленок”.-Ивано-Франковск.-2003.-Т.2.-С.127-128.

66. Блудов А.В., Тимофеев В.И. Моделирование интегральных детекторов на субмикронных диодах Шоттки // Труды 13-ой междунар. Крымской конф.”СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Севастополь.-2003.-С.228-230.

У друкованих працях, написаних зі співавторами (прізвища співавторів наведені в списку використаних джерел), авторові належить:

у роботах [9], [10],[11], [13], [18], [19], [27], [29], [37-39] - постановка задачі, вибір методу розв'язання, математична реалізація;

у роботах [12], [15-17], [21], [22], [24], [25], [28], [60], [63], [64-66] - розроблення основних теоретичних засад;

у роботах [8], [14], [43], [44], [48], [53] ,[54], [55], [61] - огляд проблем, теоретичні дослідження;

у роботах [49], [50-52], [56-59], [62] - розробка моделей і алгоритмів, моделювання параметрів і проектування субмікронних компонентів, пристроїв і малошумлячих підсилювачів НВЧ і КВЧ діапазону;

у роботах [5], [20], [23], [26], [30-34], [40-42],[45-47],- теоретичні і практичні результати належать авторам рівною мірою.

ТИМОФЄЄВ В.І. МОДЕЛЮВАННЯ СУБМІКРОННИХ КОМПОНЕНТІВ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ НА СПОЛУКАХ A^IIIB^V. - РУКОПИС

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”. - м. Київ, 2004.

Запропоновані нові науково обґрунтовані математичні моделі фізичних процесів і субмікронних ефектів у сучасних транзисторних структурах і інтегральних схемах міліметрового діапазону довжин хвиль, які забезпечують рішення важливої прикладної проблеми - розробку перспективних субмікронних транзисторів з бар'єром Шотткі, транзисторів з гетероселективним легуванням і гетеробіполярних транзисторів із заданими параметрами і характеристиками, компонентів і інтегральних пристроїв на їх основі й удосконалювання технології виготовлення.

Проведені комплексні дослідження фізичних ефектів і процесів у субмікронних інтегральних структурах на основі з'єднань A^IIIB^V для інтегральних схем із субмікронними розмірами областей активних компонентів і розроблено широкий спектр моделей приладів на основі напівпровідників A^IIIB^V і їх сполук, включаючи гетероструктури, з урахуванням субмікронних ефектів.

З єдиних позицій проаналізовані, узагальнені і сформульовані фізичні особливості й ефекти, властиві субмікронним структурам з розмірами, порівнянними з довжиною вільного пробігу електронів, обґрунтований і створений ієрархічний ряд математичних моделей різного рівня, визначені функціональні особливості субмікронних приладів і умови застосовності їх моделей до завдань адаптивного проектування.

Ключові слова: субмікронні ефекти, нестаціонарний дрейф, субмікронні польові транзистори Шотткі, транзистори с гетеропереходами, двовимірне моделювання, ефекти третього виміру, технологічні неоднорідності, малошумлячі кола, компоненти монолітних інтегральних схем.

ТИМОФЕЕВ В.И. МОДЕЛИРОВАНИЕ СУБМИКРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА СОЕДИНЕНИЯХ A^IIIB^V.-РУКОПИС

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. - г. Киев, 2004.

Предложены новые научно обоснованные математические модели физических процессов и субмикронных эффектов в современных транзисторных структурах и интегральных схемах миллиметрового диапазона длин волн, которые обеспечивают решение важной прикладной проблемы - разработку перспективных субмикронных транзисторов с барьером Шоттки, транзисторов с гетероселективным легированием и гетеробиполярных транзисторов с заданными параметрами и характеристиками, компонентов и интегральных устройств на их основе и совершенствование технологии изготовления субмикронных структур.

Проведены комплексные исследования физических эффектов и процессов в субмикронных интегральных структурах на основе соединений A^IIIB^V для интегральных схем с субмикронными размерами областей активных компонентов и разработан широкий спектр моделей приборов на основе полупроводников A^IIIB^V и их соединений, включая гетероструктуры, с учетом субмикронных эффектов.

Решение проблемы обеспечивается системными подходами к моделированию субмикронных многослойных полевых структур на основе полупроводников A^IIIB^V, разработкой способов и единых подходов к анализу нестационарных процессов дрейфа носителей заряда в сильном электрическом поле на основе релаксационных уравнений, разработкой широкого спектра моделей для анализа субмикронных эффектов, описания физических процессов взаимодействия волн миллиметрового диапазона с потоками носителей заряда в сильном электрическом поле, созданием адаптивных процедур и алгоритмов анализа устройств с субмикронными компонентами для моделирования их частотных, временных и шумовых характеристик.

С единых позиций проанализированы, обобщены и сформулированы физические особенности и эффекты, присущие субмикронным структурам с размерами, сравнимыми с длиной свободного пробега электронов, обоснован и создан иерархический ряд математических моделей различного уровня, определены функциональные особенности субмикронных приборов и условия применимости их моделей к задачам адаптивного проектирования.

Система фундаментальных уравнений переноса носителей заряда в многодолинных полупроводниках дополнена обоснованной системой двумерных релаксационных уравнений сохранения импульса, энергии и частиц для анализа нестационарного дрейфа с учетом различных видов рассеяния, что позволяет проанализировать скоростные свойства транзисторных структур и отображает влияние субмикронных эффектов.

Созданы модели, описывающие предельные режимы работы транзистора: субпороговый режим, режим открытого канала и инверсный режим; определено влияние этих эффектов на функционирование приборов. Установлены факторы, определяющие нелинейные свойства транзисторов в широком диапазоне питающих напряжений и уровней входного сигнала.

Проанализированы источники шума, предложены новые модели и методика анализа шумовых характеристик, которые отличаются учетом процессов нестационарного переноса, влияния параметров транзисторных структур и барьера на границе канал-подложка и дана физическая интерпретация экспериментальных характеристик субмикронных полевых транзисторов в малошумящем режиме.

Установлен новый принцип управления током субмикронного транзистора при напряжениях на затворе, близких к отсечке, связанный с надбарьерным дрейфом носителей у истока. Показана возможность управления током стока не только с помощью изменения толщины проводящего канала, но и за счет надбарьерного прохождения электронов в истоковой части канала при его перекрытии, что актуально для приборов, работающих в малошумящем режиме.

Получила дальнейшее развитие методика двумерного моделирования транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе релаксационной системы уравнений, позволяющая описывать субмикронные эффекты: “всплеск” дрейфовой скорости, разогрев в сильном электрическом поле, междолинный перенос, шунтирующее влияние подложки, квазибаллистический эффект.

Разработаны двумерные математические модели и алгоритмы моделирования субмикронных гетеробиполярных транзисторов в диффузионно-дрейфовом приближении для электронов и дырок, включающие уравнения для анализа влияния сильного легирования и разогревных эффектов, определены области с наибольшими градиентами электрических полей и температур.

Предложена методика учета размерных эффектов, включая третье измерение транзисторных структур, которая определяет особенности функционирования активных и пассивных компонентов монолитных интегральных схем КВЧ, в частности, распределенных эффектов и влияния технологических неоднородностей, разработаны модели и алгоритмы для анализа СВЧ и КВЧ компонентов и цепей, пригодные для моделирования монолитных и объемных интегральных схем.

Предложена методика моделирования малошумящих и широкополосных субмикронных устройств на основе транзисторов на соединениях A^IIIB^V, линий передачи на полупроводниковой подложке сложной конфигурации. Получены аналитические выражения для анализа характеристик широкополосных усилителей с распределенным усилением с неоднородными секциями, пригодные для оптимизации параметров усилителей.

Ключевые слова: субмикронные эффекты, нестационарный дрейф, субмикронные полевые транзисторы Шоттки, транзисторы с гетеропереходами, двумерные моделирование, эффекты третьего измерения, технологические неоднородности, малошумящие цепи, компоненты монолитных интегральных схем.

ТIMOFEYEV V.I. THE MODELLING OF SUBMICRON COMPONENTS OF INTEGRATED CIRCUITS ON JUNCTIONS A^IIIB^V. - MANUSCRIPT

The Doctor`s of Technical Sciences dissertation by speciality 05.27.01 - solid-state electronics. National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”. - Kyiv, 2004.

The new scientifically proved mathematical models of physical processes and submicron effects in modern transistor structures and microwave integrated circuits are offered, which provide the solution of the important applied problem - development of perspective submicron transistors with Schottky`s barrier, heterojunction transistors and heterobipolar transistors with the set parameters and characteristics, components and integrated devices on their basis and perfection of manufacturing techniques of submicron structures.

Complex research on physical effects and processes in submicron integrated structures is carried out on the basis of junctions A^IIIB^V for integrated circuits with the submicron sizes of areas of active components and wide spectrum of models of devices is developed on the basis of semiconductor A^IIIB^V and their junctions, including heterostructures, in view of submicron effects.

From uniform positions physical features and the effects inherent in submicron structures with the sizes, comparable with a free run electron length are analysed, generalized and formulated, a hierarchical line of mathematical models of various levels is proved and created, functional features of submicron devices and conditions of applicability of their models to adaptive tasks of designing are determined.

Key words: submicron effects, non-stationary drift, submicron field effect Schottky`s transistors, heterojunction transistors, two-dimentional simulation, three-dimensional effects, technological heterogeneity, low noise circuits, monolithic integrated circuits components.

Размещено на Allbest.ru

...