Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 18 июня
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Введение в проектирование маломощных схем

В статье рассматриваются факторы, влияющие на энергопотребление, и способы снижения потребляемой мощности. Основное внимание уделяется процессору и его окружению, т.к. именно эти компоненты потребляют большую часть мощности. Кроме того, обсуждаются вопросы выбора процессора.

Тепловой расчет устройств силовой электроники. Часть 1

В первой части статьи рассматриваются рабочие характеристики повышающего преобразователя для питания сильноточных белых светодиодов и стандартного силового дросселя в условиях высоких температур. На этих примерах подробно обсуждаются методы расчета и измерения теплового сопротивления и теплоемкости подобных устройств относительно окружающего воздуха.

Улучшение характеристик усилителей класса D

Прогресс не стоит на месте, и схемы постоянно совершенствуются. Сегодня мы продолжим тему усилителей класса D и остановимся на способах улучшения их качества.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

30 декабря

Моделирование СВЧ-транзистора на основе эпитаксиальной гетероструктуры (HEMT) с помощью САПР Synopsys Sentaurus TCAD

В статье проиллюстрированы возможности инструментов приборно-технологического моделирования нового поколения на реальном примере. Использование моделирования позволяет ускорить разработку, оптимизировать технологический процесс без производства тестовых партий устройств, улучшить параметры получаемых приборов и, как результат, снизить стоимость конечного продукта.



К

омпания Synopsys — один из мировых лидеров в области создания САПР для приборно-технологического моделирования (TCAD). Sentaurus TCAD — динамично развивающееся семейство инструментов TCAD от Synopsys с периодичностью обновления 9 месяцев, основной задачей которого является обеспечение разработчиков средствами приборно-технологического проектирования нового поколения, а также интеграция этих средств в общий маршрут проектирования САПР СБИС.
Основной акцент в развитии инструментов приборно-технологического проектирования делается на моделировании технологического процесса, гетероприборов, приборов, фотодетекторов, светоизлучающих диодов (LED) и лазеров, а также на анализе трехмерного растекания носителей заряда.
Основная задача данной статьи — иллюстрация возможностей инструментов приборно-технологического моделирования нового поколения на реальном примере, в рамках которой компанией Synopsys реализован широкий набор инструментов для решения различных задач. Использование моделирования позволяет ускорить разработку, оптимизировать технологический процесс без производства тестовых партий устройств, улучшить параметры получаемых приборов и, как результат, снизить стоимость конечного продукта.
Ниже перечислим использованные инструменты Sentaurus TCAD и дадим их краткую характеристику:
Sentaurus Workbench — это рабочая среда для построения DoE (Design of Experiment), GUI (Graphical User Interface) платформа для последовательного расчета узлов, перевода формата данных.
Sentaurus Structure Editor (SSE) — графический пользовательский интерфейс и дешифратор скрипта для создания 2D/3D структуры устройства.
Sentaurus Mesh — инструмент, предназначенный для создания расчетных 1D/2D/3D сеток для последующего решения электрофизических уравнений.
Sentaurus Device — 1D/2D/3D инструмент, предназначенный для расчета различных характеристик и для изучения поведения прибора, поддерживающий различные модели переноса; эффекты квантизации носителей с моделью градиента концентрации; эффекты квантизации носителей, использующие метод Шредингера; моделирование шумов (фликкер-шум, рекомбинация/генерация, диффузионный шум), гетероструктурное моделирование и другие.
Tecplot, Inspect — 1D/2D/3D инструменты визуализации, предназначенные для отображения графиков (Inspect) и 1D/2D/3D профилей и сечений структур (Tecplot).
Для иллюстрации возможностей Synopsys Sentaurus TCAD в данной работе создан проект СВЧ-транзистора. Главная задача заключалась в расчете зависимостей тока стока от напряжений сток-исток (Id-Vds) и сравнении их с экспериментальными, а также выявлении распределения электростатического потенциала, распределения примеси, распределения концентрации электронов и зонной диаграммы СВЧ-транзистора.
В ходе работы был составлен маршрут создания и расчета СВЧ-транзистора в Sentaurus Workbench с различными варьируемыми параметрами; на иллюстрации указываются используемые значения переменных каждого инструмента (см. рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид проекта в Sentaurus Workbench

При этом проект в Sentaurus Workbench был разделен на следующие этапы:
– создание структуры устройства с использованием инструмента Sentaurus Structure Editor;
–  генерация расчетной сетки с помощью инструмента Sentaurus Mesh для последующего решения электрофизических уравнений;
– приборно-технологическое моделирование, расчет ВАХ и других параметров с использованием инструмента Sentaurus Device;
–  визуализация структур и графиков и параметров с помощью инструментов Tecplot, Inspect.
В начале работы в Sentaurus Workbench были последовательно добавлены все необходимые для моделирования инструменты, указаны используемые значения переменных. Инструмент Sentaurus Workbench отображает внешний вид проекта в графическом интерфейсе, содержит полную информацию о каждом узле, инструменте. С помощью Sentaurus Workbench мы можем создать не какой-либо конкретный прибор, а целый набор структур с различными значениями толщин слоев, длины затвора, глубины расположения затворной канавки и т.д.
Геометрическая модель транзистора была создана с помощью инструмента Sentaurus Structure Editor (см. рис. 2), в котором выполняется моделирование «простых» технологических операций на геометрическом уровне (осаждение, травление, создание маски). Структура прибора при этом представляется в виде набора геометрических объектов, происходит процесс их формирования и эволюции.
Для электрофизического моделирования требуется построить конечно-элементную сетку, на узлах которой будет проводиться решение электрофизических уравнений. Для этого используется инструмент Sentaurus Mesh.

Рис. 2. Структура транзистора в Sentaurus Structure Editor

Cгенерированная расчетная сетка имеет размерность около 20 тысяч узлов. При генерации сетки важно, чтобы получившаяся расчетная сетка была пропорциональна размерам прибора. При создании расчетной сетки необходимо учитывать такие особенности современных приборов, как структурные переходы, высокие градиенты концентраций носи­телей и т.п.
Построение расчетной сетки играет важную роль и в обеспечении эффективного и точного решения задачи, однако необходимо учитывать, что слишком маленькое значение минимального шага сетки помимо увеличения точности моделирования приведет к значительному увеличению времени расчета. Для примера на рисунке 3 приведен фрагмент области стока.

Рис. 3. Фрагмент двумерной сетки, сгенерированной программой Sentaurus Mesh (область стока)

Моделирование и расчет ВАХ транзистора

Для решения электрофизических уравнений в узлах расчетной сетки и получения ВАХ СВЧ-транзистора в проекте использован инструмент Sentaurus Device. При электрофизическом моделировании была решена система из четырех уравнений, включающих уравнение Пуассона, уравнения непрерывности для электронов и дырок, а также уравнение переноса энергии для электронов. Расчеты производились с использованием физических моделей, необходимых при моделировании приборов на гетеропереходах типа НЕМТ, таких как:
– квантование носителей в канале транзистора;
– туннелирование через гетеропереходы;
– термоионная эмиссия;
– нелокальный разогрев носителей.
На электроде затвора было применено граничное условие, связывающее концентрации носителей на контакте и нормальные компоненты потоков носителей с соответствующей высотой барьера Шоттки.
Решение систем уравнений на расчетной сетке в несколько десятков тысяч узлов — достаточно сложная задача. Основной объем вычислений приходится на решение систем линейных алгебраических уравнений (ЛАУ) с разреженными матрицами. При решении такой задачи удобно использовать итерационные методы для систем ЛАУ, которые обеспечивают достаточное быстродействие и разумное потребление памяти вычислительной системы. Используемые в инструменте Sentaurus Device итерационные методы решения систем ЛАУ интегрированы в алгоритм Iterative Linear Solver (ILS). Данный алгоритм позволяет эффективно решать задачи большой размерности с достаточной точностью и за приемлемое время.
Для достижения необходимой точности решения поставленной задачи необходимо было провести калибровку и исследовать влияние различных параметров физических моделей на ВАХ. После оптимизации был произведен расчет зависимости тока стока от напряжения затвор-исток (Id-Vgs) СВЧ-транзистора на сетке размерностью в 20 тысяч узлов, это заняло около 1 часа, с распараллеливанием вычислений на четырех процессорах типа AMD Opteron 2,6 ГГц 64x. Для расчета зависимости тока стока от напряжения сток-исток (Id-Vds) для фиксированных напряжениях затвор-исток (Vgs = 0 В, –0,2 В, –0,4 В, –0,6 В, –0,8 В, –1 В, –1,2 В) СВЧ-транзистора на сетке в 20 тысяч узлов потребовалось примерно 5 часов. Рассчитанные ВАХ и зонные диаграммы отображены с помощью инструментов визуализации Inspect и Tecplot.
На рисунках 4—6 приведены результаты расчета распределения концентрации электронов в стоковой области, распределение электростатического потенциала в моделируемой структуре и зонные диаграммы транзистора.

Рис. 4. Распределения концентрации электронов (слева — во всей структуре, справа — в подстоковой области)

Рис. 5. Распределение электростатического потенциала в моделируемой структуре (слева — во всей структуре, справа — в подстоковой области)

Рис. 6. Зонная диаграмма pHEMT транзистора AlGaAs/InGaAs/GaAs

На рисунке 7 приведены экспериментальные и расчетные зависимости тока стока от напряжения на сток-истоке (Id-Vds) для фиксированных напряжений на затворе. Результаты моделирования доложены и одобрены Санкт-Петербургским физико-технологическим Научно-образовательным Центром РАН (СПб ФТНОЦ РАН).

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные ВАХ Id(Vds) транзистора

Моделирование проводилось с использованием адаптивных конечно-элементных сеток (совокупность конечных элементов в расчетной области прямоугольной формы, которые малы по сравнению с размерами расчетной области. Их вершины называют узлами конечно-элементной сетки), что позволило адекватно учесть пространственные неоднородности в структуре полупроводникового прибора, такие как гетеропереходы и сверхрешетка.
При проведении анализа и оптимизации входных/выходных параметров СВЧ-транзистора использовались эффективные алгоритмы распараллеливания вычислений для получения результатов в режиме реального времени.
Маршрут проектирования реализован в виде проекта в инструменте Sentaurus Workbench, что позволило параметризовать исходные данные для последующего анализа чувствительности расчетных электрофизических параметров на вариацию параметров структуры.
При подготовке данной статьи основной задачей мы посчитали не только описание функций инструментов Sentaurus TCAD компании Synopsys, но и демонстрацию примера расчета с помощью данной системы. В процессе работы была создана параметризованная модель СВЧ-транзистора, смоделирован профиль распределения примеси, электронов, электростатического потенциала в структуре, построена расчетная сетка для последующего приборно-технологического моделирования, рассчитаны переходные характеристики СВЧ-транзистора, семейство выходных стоковых характеристик при различных напряжениях на затворе, характеризующие работу прибора, а также зонные диаграммы.
Рассмотренный проект можно использовать не только с целью получения электрофизических характеристик конкретного СВЧ-транзистора, но и как средство исследования целого семейства подобных приборов, их свойств, поведения и т.д. С помощью проведения калибровки, меняя геометрические и физические параметры транзистора, можно уменьшить количество реальных экспериментов по изготовлению и измерению полупроводниковых структур, а следовательно, снизить стоимость конечного изделия.

Alternative Solutions Alt-S
Москва, Волоколамское ш., 73-741
Тел.: +7 495 780-3154
www.alt-s.ru



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Дмитрий Радченко, Кирилл Сбитнев, Alternative Solutions; Николай Малеев, автор технического задания, Санкт-Петербургский физико-технологический научно-образовательный центр РАН (СПб ФТНОЦ РАН)



Комментарии

1 / 1
1

19 апреля, 10:28

Anastasia Andreeva

ARHIV

Можно ли подписаться на журнал Производство электроники" выпуск №7 за 2009 год???
Сколько это будет стоить???

1 / 1
1

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты