Экспериментальная проверка результатов расче- та ВАХ, зависимостей элементов СВЧ ЭС ПТШ от режима смещения и ^-параметров при прямом монтаже кристалла ПТШ

А. Экспериментальная проверка результатов расчета ВАХ и зависящих от смещения элементов ЭС ПТШ

Зависимости элементов малосигнальной ЭС ПТШ (см. рис. 4.7) рассмотрим на примере транзистора с длиной затвора 1,7 мкм и шириной 600 мкм, с концентрацией легирования Nk - 7,51016см“3, ставшего уже классическим при рассмотрении различных моделей ПТШ. Исходные данные для расчета параметров транзистора представлены в табл. 43.

Таблица 4.3

Параметры модели 600 мкм ПТШ

Тип структуры

Параметры БШ

Геометрия ПТШ, мкм

Температурные коэффициенты

TIP-А

= 0,7 В

?и= 15,0

Д?Г= 1,5-10 3

Режим расчета

П = 1,05

?з= 1,7

рит=0,3

Ди = 8,0

Мич = 40

Л* = 8,2А/см2

Д = 15,0

AvS7= 1,5-10 3СМ/(С-К)

С/зи = 0,6 0;-1,0;-2.0; -3,0; -4,0 В

г=зоок

Ди=3,0

kEST= 2,86 В/(см-К)

AUwp = 0,5 В

Параметры металлических систем

Де = 3,0

А<р^ = 0,4-10"3В/К

Параметры подложки

Длми = Д лмс = =3-10“6Ом-см

w=o

RT= 120 К/Вт

?,= 12,9

Н = 200 мкм

Ддав = ЗЮ^ОМСМ

FH = Fc = 0

?о = 5,2

Dd = 25мкм

Ркис = 1,5-Ю^Ом-СМ2

Д = Д = 0

Параметры активных слоев и подложки

ркз= ТЮ^Ом-см2

Дш = 600

vs = 0,9-107см/с

Д = 3 мкм

Д=4,1-103В/см

8мс = 3 мкм

Nk = 7,5-1016 см3

Зм, = 0,08 мкм

Площади электродов, мкм2

= 4,3-103см2/(В-с)

А=4

Дзи = 68

ак 0,315 мкм

Дэе = 0

N„ = 0 см-3

Режимы расчета

s»»=o

р „ = 0 см2/(В-с)

ЮМК = 0 (упрощенная модель)

Д = 21000

а*к = 0,0 мкм

ZAP = 2 (2-сто-ронняя запитка)

Д = 4436

Н = 0,0 мкм

MONT = 0 (прямой монтаж)

Д = 7770

Ряд исходных данных для расчета был взят типичным для СВЧ ПТШ подобного типа. Так, из значения 7?3, приведенного для данного ПТШ в [1], для золотой металлизации было определено, что ПТШ реализован в виде встречно-штыревой структуры, содержащей четыре штыря затвора с единичной шириной 150 мкм. Данные о концентрации легирования, толщине активного канала и подвижности электронов взяты из [1, 2]. Значения Es и vs взяты с помощью рис. 4.18^1.20. Значение величины удельного контактного сопротивления истока-стока (Ркис) было взято типичным для использованного значения ND. Размеры контактных площадок затвора и стока взяты минимальными и равными 50x50 мкм2, а крайних истоков - 100x150 мкм2. Ширины соединительных шин штырей затворов и стоков взяты равными 20 и 50 мкм соответственно. Значение RT взято из экспериментальных значений, приведенных в [25]. При расчете ВАХ и значений ЭС ПТШ учтено явление саморазогрева, температура корпуса (кристаллодержателя) 300 К. Использованы типичные значения всех температурных коэффициентов, кроме коэффициента ц„г, значение которого было определено подбором в процессе расчета ВАХ.

На рис. 4.31 дано сравнение ВАХ, измеренных в работах [2, 3] и рассчитанных по представленной модели ПТШ. Расчет по модели хорошо отображает результаты измерения.

Авторы вышеуказанных работ объясняют спад тока стока при UCH = = 2.. .4 В и 17зи = 0,6 и -1,0 В присутствием в данном ПТШ ганновского

Сравнение измеренных

Рис 4.31. Сравнение измеренных (а) и расчегных (б) ВАХ GaAs ПТШ с длиной затвора 1,7 мкм и суммарной шириной затвора 600 мкм домена. Результаты данного расчета указывают на возможность объяснения спада тока явлением саморазогрева, что подтверждается результатами работ других авторов.

Сравним результаты расчета по представленной модели элементов ЭС ПТШ, зависящих от режима смещения (см. рис. 4.7), с результатами, полученными в [2] при параметрической оптимизации элементов ЭС (рис. 4.32) по измеренным 5-параметрам и с результатами расчета данного ПТШ в работе [48].

ЭС ПТШ, используемая для извлечения из измеренных 5-параметров значений элементов ЭС, содержащей R-Cgd -цепочку, описывающую гапновский домен [2]

Рис. 4.32. ЭС ПТШ, используемая для извлечения из измеренных 5-параметров значений элементов ЭС, содержащей Rgd-Cgd -цепочку, описывающую гапновский домен [2]

Отметим, что форма зависимостей элементов ЭС от смещения, определенных параметрической оптимизацией, зависит как от вида ЭС, так и от набора самих элементов ЭС.

На рис. 4.33 приведено сравнение результатов расчета по модели зависимости статической крутизны gw = STo от режима смещения и результатов, полученных из измеренных 5-параметров. Модель правильно отображает характер зависимостей STo от режима смещения.

Следует отметить, что значения крутизны, рассчитанные по модели, на 33% превышают «экспериментальные» значения, что обусловлено учетом в модели зависимости сопротивлений 7?и и Rc от режима смещения (рис. 4.34), которая не была учтена при получении значений элементов ЭС из измеренных 5-параметров в [48]. Максимальное

70 п

ПТШ: L3=1,7MKM 13Ш=600МКМ

Сравнение зависимостей статической крутизны от режима смещения, полученных из измеренных 5-параметров (а) и из расчетов по представленной модели (б)

Рис. 4.33. Сравнение зависимостей статической крутизны от режима смещения, полученных из измеренных 5-параметров (а) и из расчетов по представленной модели (б)

значение крутизны наблюдается при U3li = 0,6 В. При увеличении отрицательного смещения на затворе величина крутизны уменьшается, что обусловлено сужением канала и отдалением его от электрода затвора, что приводит к уменьшению индуцированной связи канала с затвором. При малых напряжениях на затворе снижение крутизны с ростом иСИ обусловлено в представленной модели увеличением разогрева канала с ростом смещения на стоке (рис. 4.35), в то время как в [2] оно объясняется возникновением ганновского домена. Схожее поведение крутизны от режима смещения было экспериментально подтверждено для GaAs ПТШ в [8].

На рис. 4.34 приведены зависимости значений сопротивлений Ru и /?с от смещения на стоке и затворе ПТШ. При возрастании отрицательного смещения на затворе оба сопротивления возрастают, что обусловлено увеличением радиусов цилиндрических поверхностей краевых частей ОПЗ. Величина Ли при возрастании при Ци = const меняется слабо в наклонной и пологой частях ВАХ.

На рис. 4.35 представлена рассчитанная по модели зависимость температуры в канале от напряжений на стоке и затворе ПТШ. В наклонной части ВАХ с ростом {7СИ зависимость имеет квадратичную форму, в пологой части ВАХ - линейную. При напряжениях = 0,6 В и Ucn = 8 В температура в канале достигает 540 К (разогрев составляет 240°С), что близко к критическим температурам эксплуатации для металлизации затвора.

ПТШ: L3=1,7mkm 1ли-600мкм

ПТШ: L3=I,7MKM13Ш=600МКМ

а б

Рис. 4.34. Зависимости 7?» (а) и 7?с (б) от режима смещения, рассчитанные по модели

При t/3H = 0 и 0,6 В из-за разогрева канала наклон кривых возрастает и они перекрывают кривые с Ози = -1 и -2 В. Сопротивление Rc с ростом исИ при 67зн = const меняется сильно: в наклонной части ВАХ оно возрастает, что обусловлено закрыванием канала при формировании статического домена, в пологой части ВАХ оно уменьшается, что обусловлено расширением протяженности домена в промежуток затвор-сток. При (7зи = 0 и 0,6 В из-за разогрева канала наклон кривых снова возрастает и они перехлестывают кривые с Сзи = -3 В и -4 В.

Зависимость температуры в канале от режима смещения ПТШ, рассчитанная по модели

Рис. 4.35. Зависимость температуры в канале от режима смещения ПТШ, рассчитанная по модели

Такое поведение сопротивлений истока и стока подтверждается расчетами и измерениями, сделанными другими авторами.

На рис. 4.36 показаны результаты расчета по представленной модели режимной зависимости времени пролета (г) электронами электрода затвора, которая отсутствует в работах [1-3], по была рассчитана по двумерной модели [48]. Зависимости имеют минимум при переходе из наклонной в пологую части ВАХ.

ГТГШ: L3=1,7.MKM Ьчи-бООькм

а б

Рис. 4.36. Сравнение зависимостей времени пролета электронами затвора от режима смешения:

а - рассчитанных по двумерной модели [51]; б - представленной модели

Насыщение пролетного времени при > С/син обусловлено насыщением дрейфовой скорости электронов. При иЗИ = 0,6 и О В на характере зависимости от существенно сказывается эффект разогрева канала (перехлест кривых). Следует отметить, что в наклонной и пологой частях ВАХ рассчитанные по двум моделям величины пролетного времени существенно различаются. Наиболее сильно это различие наблюдается в наклонной части ВАХ, а в пологой части в представленной модели оно превышает результаты расчета по двумерной модели в 3 раза. Это различие обусловлено учетом в модели [48] эффекта всплеска (overshoot) дрейфовой скорости. Подобное поведение пролетного времени от режима смещения было экспериментально подтверждено в работах других авторов [8].

В отличие от существующих моделей П'ГШ сопротивление канала в представленной модели разбито на две части: сопротивление Я, которое отображает сопротивление канала в области Ек < Es, и сопротивление которое описывает сопротивление канала в области статического домена. На рис. 4.37 показаны зависимости сопротивления неперекрытой части канала затвор-исток (до расположения домена) от режима смещения, полученные из измерений ^-параметров и рассчитанные по модели. Режимные изменения 7?, полученные по модели и из измерений 5-параметров, имеют схожий характер и отличаются от вида, полученного в расчетах по двумерной модели (отсутствует

s 70 О

р «о -

2 30-

| -

  • 3 20 -
  • § J0-

Напряжение стока. В

ПТШ: 1з=1,7мкм 1зш=600мкм

а б

Рис 4.37. Сравнение зависимостей сопротивления от режима смещения: а - полученных из измеренных S-параметров; б - полученных из расчетов по представленной модели

максимум на кривых). При малых значениях С/си величина R3lf резко возрастает с ростом С/а1 и при приближении к t/CHH достигает максимального значения при формировании статического домена. Скорость этого возрастания увеличивается при увеличении |?7ЗИ|. Такое повеление зависимостей Ra] от напряжений на электродах затвора и стока обусловлено сужением проводящей части канала. При Uai > Ucm сопротивление 7?зи начинает спадать и насыщаться. Эго обусловлено явлением «укорочения затвора» или продвижением домена вглубь, под затвор. Такое поведение R3ii от режима смещения экспериментально подтверждено в [8].

На рис. 4.38 сравниваются зависимости сопротивления неперекры-той части канала затвор-сток (домена) (R*) от напряжений смещения, полученные из измерений 5-параметров и по представленной модели (в модели [51] это сопротивление не рассматривается). В наклонной части ВАХ, когда область I занимает все пространство под затвором, Rtc = 0 Ом. При Т'си > t/син возникает стабильный домен, который с ростом напряжения на стоке расширяется, как к истоку, так к стоку, что приводит к увеличению его длины и увеличению значения R^. При запирании канала (увеличении | U^, канал перекрывается, что также приводит к росту R*. На рис. 4.39 сравниваются зависимости емкости ОПЗ затвор-исток (Сзи) от режима смещения, полученные из измерений 5-параметров и расчетов по модели. В наклонной части ВАХ величина

Сравнение зависимостей сопротивления нспсрекрытой части канала затвор-сток (домена) от режима смешения

Рис. 4.38. Сравнение зависимостей сопротивления нспсрекрытой части канала затвор-сток (домена) от режима смешения:

а - полученных из измерений 5-параметров; б-расчет по представленной модели

Сзн спадает с ростом (7СИ из-за увеличения глубины ОПЗ, причем величина спада уменьшается при запирании канала. Минимальная величина расчетного значения емкости Сзи по модели на 0,3 пФ выше экспериментального значения, что обусловлено введением дополнительной емкости Сех =0,3 пФ в ЭС ПТШ (см. рис. 4.32), используемой в [2].

Сравнение зависимостей емкости ОПЗ затвор-исток от режима смещения

Рис. 4.39. Сравнение зависимостей емкости ОПЗ затвор-исток от режима смещения:

а - полученных из измерений 5-параметров; б - расчеты по модели

При Ucli > UCH значение емкости с ростом напряжения на стокс резко возрастает и насыщается, причем в расчетах по модели скорость этого насыщения значительно ниже скорости насыщения, наблюдаемой экспериментально.

Общий рост значений емкости при увеличении Ucll в пологой части объясняется увеличением протяженности домена. Общий рост значений емкости в обеих частях ВАХ при открывании канала обусловлен уменьшением глубины ОПЗ. 11а рис. 4.40 приведено сравнение зависимостей емкости ОПЗ затвор-сток х) от режима смещения, полученных из измерений S-параметров и расчетов по представленной модели. В наклонной части ВАХ с ростом напряжения на стоке величина емкости Сзс уменьшается, что не наблюдается для всех кривых, полученных из расчетов по двумерной модели [48]. Этот спад емкости обусловлен увеличением радиуса ОПЗ в стоковой части затвора с ростом Uai. При U-n > Um значение емкости с ростом напряжения на стоке монотонно уменьшается, что объясняется приближением правой стенки домена к электроду стока при почт неизменной глубине обеднения ОПЗ в стоковой части затвора. Изменение величины емкости при увеличении запирания затвора в наклонной и пологой частях ВАХ имеет противоположную тенденцию, и отчетливо виден «узел переворота» кривых Ск в момент Ucli = Ucll. При этом в наклонной части ВАХ при запирании затвора возрастает глубина ОПЗ, что приводит к уменьшению Сх, а в пологой части ВАХ происходит частичное приоткрывание канала

Сравнение зависимостей емкости ОПЗ затвор-сток от режима смещения

Рис. 4.40. Сравнение зависимостей емкости ОПЗ затвор-сток от режима смещения:

а - полученных из измерений ^-параметров; б - расчепл по модели в стоковой части затвора. Следует отмстить, что этот переворот не связан с саморазогревом канала ПТШ, так как он присутствует и в случае пренебрежения саморазогревом (RT= 0 K/Вт). Значения емкостей Сзи и Стс при = 0,6 В и UCK = 0 В равны, что является подтверждением корректности предлагаемой модели. Общая тенденция зависимости от режима смещения подтверждается измерениями других авторов.

На рис. 4.41 приведено сравнение зависимостей выходного дифференциального сопротивления ПТШ (7?си) от режима смещения, полученных из измерений S-параметров и расчетов по представленной модели. По сравнению со значениями 7?си, полученными из измерений S'-параметров, расчет по модели дает превышение в 1,3-3,5 раза - в наклонной части ВАХ и в 5-12,5 раза - в пологой части ВАХ.

Сравнение зависимостей выходного дифференциального сопротивления ПТШ от режима смещения

Рис. 4.41. Сравнение зависимостей выходного дифференциального сопротивления ПТШ от режима смещения:

а - полученных из измерений S-парамстров; б - расчеты по модели

Различие результатов расчета по модели обусловлено следующими ограничениями модели:

  • 1) уровни легирования и подвижности постоянны в канале и отсутствуют в буфере /подложке;
  • 2) утечка тока канала по буферу отсутствует, граница канал/ буфер идеальна;
  • 3) не учтена утечка в межслойном диэлектрике.

На рис. 4.42 приведены результаты зависимостей выходной емкости ПТШ (емкости статического домена) от режима смещения, полученные из измерений S-параметров данного ПТШ при U3li = 0 в работе [1] и из расчетов по модели. В наклонной части ВАХ емкость Са,

Результаты зависимостей емкости статического домена (С) от режима смещения

Рис. 4.42. Результаты зависимостей емкости статического домена (Сси) от режима смещения:

а - полученные из измерений S-параметров в [1] при Uitt = О В;

б - расчеты по модели

ПТШ: L3=1,7micm 1.зш=600мкм

отсутствует, так как отсутствует статический домен. В пологой части ВАХ при Ucli = Uch величина емкости имеет максимальное значение, которое резко спадает при возрастании напряжения на стоке. Скорость этого спада уменьшается при запирании затвора.

Уменьшение величины этой емкости с ростом UOi обусловлено увеличением длины домена и продвижением его к стоку. При запирании затвора величина Сси уменьшается, что обусловлено уменьшением высоты домена. При 1/зи = О В значения емкости в наклонной и пологой частях ВАХ, рассчитанные по модели, значительно превышают значения, полученные из измерений S-парамстров. Причиной этого является слабая чувствительность значений S-параметров на изменение этой емкости в процессе расчета и оптимизации ЭС ПТШ.

Для определи шяД- используем следующее сооп юшй ме из работы [25]: У°10~9 , [ГГц].

(4.138)

/т -

Для определения Утах используем следующее выражение из работы [23]:

z /г-Ю’9

4/?/yv 2С^

= [ГГц], (4.139)

т2

ЗИ

1 + $то (Rin + Kt )тг?

где Kn Pi 4" + /?ц .

Предельные частотные свойства ПТШ характеризуются предельной частотой усиления по току (равного нулю при коротком замыкании выхода ПТШ) - , /г и максимальной частотой генерации СВЧ-мощности (ЛГур = 0 дБ при скомпенсированной обратной связи идеального ПТШ) -/тах.

На рис. 4.43 приведены зависимости от режима смещения предельных частот /т и /max, рассчитанных по предлагаемой модели. С ростом С/си в наклонной части ВАХ частота fT возрастает, а в пологой - спадает. Это поведение напоминает изменение крутизны с ростом UCii. При запирании затвора в наклонной части ВАХ величина? возрастает, что обусловлено резким уменьшением суммарной емкости ОПЗ. В пологой части ВАХ при запирании затвора при С/си < 6,5В величина Л уменьшается (как и STo), а при UCH > 6,5В возрастает, что обусловлено уменьшением Сзи.

Зависимости от режима смешения предельных частот Л (а) и / (б), рассчитанные по модели

Рис. 4.43. Зависимости от режима смешения предельных частот Л (а) и /тах (б), рассчитанные по модели

Максимальное значение/т при изменении (Ли равно 10...И ГГц. С ростом иСИ частота /тах возрастает, причем резкий прирост значения происходит при переходе из наклонной в пологую часть ВАХ. В пологой части ВАХ при изменении Uc от значения UCH до 8 В прирост значения/max составляет 10... 14 ГГц, максимальное значение fmm составляет 30...39 ГГц, причем, при запирании канала /max уменьшается.

Б. Расчет элементов ЭС ПТШ, не зависящих от режима смещения

В ЭС ПТШ на рис. 4.7 присутствуют также элементы, независимые от режима смещения, которые учитываются в предлагае мой модели ПТШ и программе WAXNEW. Перечислим эти элементы :

  • • паразитные межэлектродные емкости: Сзим =5,7-10-2 пФ, = = 4,3-10“2пФ и Сейм =6,3-10 2 пФ;
  • • индуктивности проволочек разварки: = L^= 0,31 нГн (по одной проволочке разварки) и ?11М = 0,14 нГн (две проволочки к двум площадкам истока), для одиночных проволочек с диаметром 2RW = 25 мкм. Расстояния между кристаллом и платами корпуса (кристаллодержателя) 0,1 мм, расстояния между точками сварки и краем кристалла (и платы) 0,05 мм, радиусы дуг проволочек разварки 0,6 мм, толщина плат корпуса (кристаллодержателя) 0,5 мм, толщина кристалла 0,15 мм;
  • • при двухстороннем расположении затвора и стока сопротивление затвора = 2,8 Ом;
  • • паразишые емкости корпуса (кристаллодержателя), определены для керамики с ег = 9,6, h = 0,5 мм, и ширины подводящих СВЧ-линий W = 0,5 мм (Zo = 50 Ом); зазор между линиями входа и выхода СВЧ равен размеру кристалла 5 = 0,5 мм. На основе данных, приведенных для краевой емкости и емкости зазора в МПЛ, определены паразитные емкости корпуса Сзик = Ссик = 0,025 пФ и = 0,015 пФ;
  • • полосковые выводы корпуса отсутствуют: = LCK = = 0 нГн.

В. Сравнение результатов расчета по представленной модели и измерений 5-параметров 600 мкм ПТШ

На рис. 4.44 представлено сравнение в диапазоне частот 2... 18 ГГц 5-параметров 600 мкм ПТШ, измеренных в [2] и рассчитанных по программе POLEVM с использованием представленной ФТМ ПТШ. На транзистор подавали смещение -2 В на затвор, на сток -6 В.

Максимальная погрешность |5ц| составляет 7 %, а фазы практически совпадают в диапазоне частот. По фазе - в диапазоне до 18 ГГц различие рассчитанных и измеренных значений < 10 °. Погрешность расчета |522| в диапазоне частот 418 ГГц составляет 14... 17 %, на частоте 2 ГГц - 21 %. Для фазы максимальная погрешность составила 13 ° (18 ГГц). Обычно, точность измерения |5i 11 и |522| составляет 5... 10 %, а фазы - 3...100. Точность измерения |52)| составляет 7...10 %, а фазы -3... 5 °. Точность измерения модуля и фазы параметра 5i2, как правило, гораздо хуже, чему «Sai•

Сравнение результатов измерения [2] и расчета в [28]

Рис. 4.44. Сравнение результатов измерения [2] и расчета в [28]

S-параметров 600 мкм GaAsllTlII____________

Точность расчета по представленной физико-топологической модели по Sir, S2r и S22- параметру находится в пределах измерительной погрешности или близка к ней. Для параметра Si2 в целом модель правильно отображает тенденцию изменения модуля и фазы в диапазоне частот.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >