بخشی از مقاله
چکیده
شبیه سازي مونتو کارلو براي ترابرد الکترونها در حالات پایدار و نا پایدار ترانزیستور اثر میدان ساخته شده از ماده SiGe انجام پذیرفته است. مشخصه هاي ترابرد الکترونها و نمودار I-V براي ترانزیستور شبیه سازي شده توافق خوبی را با نمونه هاي آزمایشگاهی نشان می دهد. همچنین پاسخ فرکانسی ترانزیستور بررسی و مقدار بهره جریانی از مرتبه 90±10 GHz براي آن بدست آمده است.
مقدمه
امروزه نیمرساناي SiGe به دلیل داشتن میدان الکتریکی شکست بالا، آهنگ تولید گرمایی پایین و تحرك پذیري بالاي الکترونی کاربرد فراوانی در ساخت قطعات نیمرسانا در محدوده دمایی و توان بالا دارد. شبیه سازیهاي مونتو کارلو براي این ماده در محدودة میدان هاي الکتریکی بالا، ماکزیم سرعت الکترونی از مرتبه cm/s 1× 107 را نشان میدهد[1]، چنین سرعت بالایی باعث مزیت این ماده در ساخت قطعات الکترونیکی در محدوده با فرکانسهاي بالا نیز شده است. در این مقاله گزارشی از نتایج شبیه سازي مونتوکارلو ترانزیستور MESFET ساخته شده از ماده SiGe ارائه شده است. در بخشهاي بعدي ابتدا مشخصات ترانزیستور و روش شبیه سازي بکار برده شده توضیح داده شده و در پایان نتایج بدست آمده بررسی می گردد.
روش شبیه سازي و مشخصات ترانزیستور
در مدل بکار برده شده فرض می شود که شبه ذرات دره هاي انرژي غیر سهموي را در اولین نوار رسانش اشغال کرده و از آمار بولتزمن پیروي می کنند. از تبدیلات Herring-Vogt استفاده شده تا اندازه حرکت ذرات را در حین جابجایی و پراکندگی به دره هاي انرژي کروي شکل منتقل نماید. معادلات میدان الکتریکی بطور خود سازگار با استفاده از روش اختلاف معین حل شده است [3-2] و در طی هر برخورد زمانی شبه ذرات، پتانسیل شبکه اي قطعه نیمرسانا محاسبه گردیده است. در این شبیه سازي پراکندگی الکترونها توسط عوامل ناخالصهاي یونیزه شده و فونونهاي نوري و صوتی درون دره اي و بین دره اي در نظر گرفته شده است.
ترانزیستور MESFET شبیه سازي شده در شکل 1 نمایش داده شده است. چنانچه ملاحظه می شود، طول کل ترانزیستور در راستاي محورxها 2µm بوده پهناي گیت ./2µm و سورس درین هر کدام ./15µm انتخاب شده اند. اتصالات به سورس و درین اهمی بوده در حالی که اتصال گیت از نوع شاتکی با پتانسیلی از مرتبه 1eV فرض شده است. همچنین چنانچه در شکل نشان داده شده است آلایش نواحی سورس و درین از مرتبه 2× 1024 m-3 بوده در حالی که نواحی بالا و پایین لایه سدي به ترتیب داراي آلایشی از مرتبه 2× 1023 m-3 و 5× 1022 m-3 میباشند .[5-4]
نتایج شبیه سازي
شکل 2، مشخصه I-V را در حالتی که ولتاژ اعمالی به گیت از -1 ولت تا -13 ولت متغییر است در دماي اتاق نشان میدهد. چنانچه مشاهده می شود ترانزیستور شبیه سازي شده رفتار اشباع خوبی را با ولتاژ شکستی در محدوده 20-30 ولت نشان میدهد که در توافق خوبی با نتایج تجربی بدست آمده توسط Kaya [6] و همکارانش است. اندازه گیري هاي آنها بر روي ترانزیستور مشابه ساخته شده از مادة SiGe ولتاژ شکستی در حدود 24 ولت و جریان اشباعی به بزرگی 1360 mAmm-1 را در دماي اتاق نشان میدهد.
همچنین از شکل 2 ملاحظه میشود که ترانزیستور شبیه سازي شده جریان اشباع درینی در حدود 1450 mAmm-1 را در حالتی که ولتاژ گیت- سورس -1 ولت است دارا می باشد. چنانچه Kaya و همکارانش نیز نتیجه گرفتند مقدار بالاي چگالی جریان درین، پیشنهاد می کند که ترانزیستورهاي ساخته شده از مادة SiGe داراي توان بالایی میباشند. همچنین نمودار فوق نشان میدهد که ترانزیستور تحت اعمال ولتاژهاي بالا به کلی در حالت خاموش قرار نمی گیرد، که این حالت ناشی از تزریق حاملها به زیر لایه ها در میدان هاي الکتریکی شدید است.
شکل هاي 3و4 به ترتیب نمودار نواري حضور الکترونها در درة مرکزي г و چگالی الکترونهاي کل در ترانزیستور را بر حسب فاصله از سورس نشان می دهد. چنانچه از شکل 3 ملاحظه میشود، بیشتر پتانسیل درین– سورس در نزدیکی نواحی گیت – درین از کانال کاهش مییابد که این منجر به ایجاد ناحیه اي با پتانسیل پایین در محدودة نواحی سورس و درین میکند.
همچنین چنانچه ملاحظه می گردد، همچنانکه الکترونها به سمت درین حرکت می کنند، انرژي پتانسیل خود را از دست داده و در عوض انرژي جنبشی کافی بدست می آورند تا به دره هاي مجاور انرژي پراکنده گردند. در شکل 4 ناحیه تهی از بار گیت که در آن چگالی الکترونها چندین مرتبه از نواحی مجاورش کمتر است به خوبی مشاهده می شود.
