МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
МОЩНОЙ СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебно-методическое пособие
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2016
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
1. Дискретная элементная база современной мощной СВЧ-электроники .........4
1.1. Обзор дискретной элементной базы современной мощной СВЧэлектроники
......................................................................................................4
1.2. Классификация моделей мощных СВЧ-транзисторов ...........................7
2. Приборно-технологическая САПР TCAD для моделирования
дискретной электронной компонентной базы ............................................... 10
2.1. Состав приборно-технологической САПР TCAD ............................... 10
2.2. Оптимизаторы расчетной сетки MDRAW и MESH ........................... 11
2.3. Программный модуль для моделирования технологических
процессов микроэлектроники ...................................................................... 15
2.4. Программный модуль для моделирования структуры
полупроводниковых приборов ..................................................................... 23
2.5. Программный модуль для моделирования электрофизических
параметров полупроводниковых структур ................................................ 25
2.6. Визуализация результатов численных экспериментов ...................... 34
3. Приборно-технологическое проектирование LDMOS-структур .............. 38
3.1. Конструкция и технология LDMOS-структур ..................................... 38
3.2. Проектирование технологии создания LDMOS-структур ................. 39
3.2.1 Моделирование технологии создания LDMOS-структур ............ 39
3.2.2. Приборно-технологическая модель LDMOS-транзистора
в DIOS ......................................................................................................... 43
3.2.3. Создание металлических контактов в модуле DEVISE .............. 47
3.2.4. Оптимизация сетки в модуле MESH ............................................ 49
3.3. Расчет электрофизических параметров LDMOS-структур ............... 53
3.3.1. Модели, используемы для расчета электрофизических
параметров ................................................................................................ 53
3.3.2. Расчет переходной вольт-амперной характеристики ................. 56
3.3.4. Расчет сопротивления сток-исток в открытом состоянии ......... 60
3.3.5. Расчет напряжения пробоя сток-исток ........................................ 62
3.3.5. Расчет межэлектродных емкостей ................................................ 65
Библиографический список ............................................................................. 68
3
Стр.3
Т а б л и ц а 1.2
Российские компании, производящие мощные СВЧ транзисторы [1]
Компания
Город
«ВЗПП-Сборка»
«ГЗ “Пульсар”»
«Исток»
НИИПП
Воронеж
Москва
Фрязино
Томск
Тип продукции
Si биполярные транзисторы
(Pout = 2–500 Вт, f = 50–1000 МГц)
Si биполярные транзисторы
(Pout = 0,1–500 Вт, f до 8 ГГц)
GaN полевые транзисторы
(Pout до 2 Вт, f = 1–40 ГГц)
GaAs полевые транзисторы с барьером
Шоттки (f до 4 ГГц)
СВЧ-диоды Ганна
(Pout более 100 мВт, f = 4–150 ГГц)
СВЧ GaAs диоды Шоттки
(f до 178 ГГц)
Si биполярные транзисторы
НИИЭТ
Воронеж
(Pout = 0,5–500 Вт, f = 100–1090 МГц)
Si MOSFET, LDMOS-транзисторы
(Pout = 5–600 Вт, f = 30–1000 МГц)
СВЧ-модули
Si биполярные транзисторы
«НПП «Пульсар»
«НПП “ПланетаАргалл”»
«ВЗПП-Сборка»
«ГЗ
“Пульсар”»
«Исток»
НИИПП
НИИЭТ
«НПП “Пульсар”»
«НПП “ПланетаАргалл”»
Москва
В.
Новгород
Воронеж
Москва
Фрязино
Томск
Воронеж
Москва
В. Новгород
(Pout = 2,5–150 Вт, f = 1,2–3,1 ГГц)
Si LDMOS-транзисторы
(Pout = 5–200 Вт, f = 0,4–2 ГГц)
СВЧ-модули
GaN полевые транзисторы
(Pout = 15–500 мВт, f = 0,1–40 ГГц)
Si биполярные транзисторы
Si биполярные транзисторы
GaN полевые транзисторы
GaAs полевые транзисторы с барьером
Шоттки
СВЧ-диоды Ганна
СВЧ GaAs диоды Шоттки
Si биполярные транзисторы
Si MOSFET, LDMOS-транзисторы
СВЧ-модули
Si биполярные транзисторы
Si LDMOS-транзисторы
СВЧ-модули
GaN полевые транзисторы
6
Стр.6
Однако, трудности получения на основе новых материалов качественных
подложек с прецизионными характеристиками, разработки и внедрения нового
технологического оборудования сдерживают развитие этих направлений.
Очевидными становятся преимущества кремниевой технологии в реализации
компонентной базы мощной СВЧ-электроники [8]:
– невысокая стоимость кремниевых подложек;
– отработанность технологических процессов с размерами активных
областей менее 100 нм;
– достаточно высокий коэффициент усиления;
– высокая выходная мощность за счет запараллеливания транзисторных
структур;
– стабильность работы при рассогласовании
и т. д.
Благодаря этому кремний является одним из наиболее благоприятных
материалов по эффективной мощности в диапазоне 100÷2000 МГц, а кремниевые
биполярные и полевые транзисторы занимают существенную долю
рынка для гражданских и военных радарных систем, систем радио- и телепередающей
аппаратуры, систем мобильной и стационарной связи в диапазоне
до 2 ГГц.
1.2. Классификация моделей мощных СВЧ-транзисторов
В основе классификации моделей полупроводниковых приборов, в том
числе и компонентной базы СВЧ-электроники (рис. 1.2), лежит степень абстракции
моделей [5], которая определяет возможность их использования
на различных уровнях моделирования с использованием современных
САПР [12–17].
Рис. 1.2. Классификация моделей компонентной базы СВЧ-электроники [5]
Физико-технологические модели, описывающие с помощью систем линейных
и нелинейных дифференциальных уравнений в частных производ7
Стр.7
ных происходящие в активных областях приборов физические процессы и
явления: распределение заряда, перенос носителей заряда, непрерывность
тока, квантово-механические эффекты и т. д. Применение сложных алгоритмов
решения, таких как метод конечных разностей и метод конечных
элементов, диктует необходимость использования пакетов приборнотехнологического
моделирования различных фирм: Sentaurus (ISE TCAD)
(фирма Synopsys [15]), Silvaco (фирма Silvaco [14]), Microtec (фирма Siborg
System Inc. [13]).
Физико-технологическое моделирование успешно применяется в технологическом
цикле проектирования новых СВЧ-транзисторов, что позволяет
добиваться требуемых параметров и характеристик на постоянном и
переменном токе, изменяя физические свойства и геометрические размеры
приборов.
Компактные, или структурные, модели, реализующие расчет радиоэлектронных
устройств на уровне электрических схем. Эти модели отражают
внутреннюю структуру и физические особенности исходного СВЧприбора:
на электрическом уровне описываются свойства активной структуры
(сопротивления и емкости p–n-переходов, усилительные свойства и
т. д.), а также паразитные емкости и индуктивности соединительных выводов,
которые зависят от геометрических, технологических и других переменных.
Различают
две разновидности компактных моделей:
– компактные электрические модели, описывающие зависимости параметров
прибора только от электрических переменных (например, напряжений
на выводах транзистора);
– компактные физические модели, отражающие зависимости параметров
прибора и от физических (технологических, геометрических и т. д.) переменных.
При
этом рассматриваются модели линейные (малосигнальные) и нелинейные.
Линейная
(малосигнальная) модель описывает поведение транзистора
для одного (заданного) режима по постоянному току в предположении, что
изменения переменного тока и напряжения в окрестности рабочей точки
относительно небольшие, и элементы линейной модели не зависят от амплитуды
входного переменного напряжения и от частоты.
Параметры элементов электрических схем в нелинейных моделях являются
функциями напряжений, температуры и т. д. Эти зависимости аппроксимируются
заранее выбранными аналитическими функциями, полученными
или из физических представлений о работе прибора, или путем
экспертного подбора соответствующего вида математических функций.
Поведенческие модели, построенные на основе формального сходства
между поведением модели и объекта относительно внешних выводов. При
8
Стр.8
моделировании СВЧ-транзисторов наиболее простой поведенческой моделью
являются малосигнальные параметры транзистора как четырехполюсника
– S-параметры. В этом случае СВЧ-транзистор (нелинейный прибор) в
некотором диапазоне установившегося режима на заданной частоте заменяется
линейным эквивалентным четырехполюсником. При работе в нелинейном
режиме используются большесигнальные S-параметры.
Аппаратные модели, построенные в виде специализированного устройства,
в котором информация о модели отражена в структуре электрических
связей между его электрическими блоками. Данный тип моделей при
разработке СВЧ- устройств практически не применяется.
9
Стр.9
2. ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ САПР TCAD
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
2.1. Состав приборно-технологической САПР TCAD
САПР ISE TCAD (Sentaurus) [4, 9, 12, 17] предназначена для комплексного
моделирования процесса разработки и оптимизации полупроводниковых
технологий микро- и наноэлектроники. САПР ISE TCAD ориентирована
на проектирование элементной компонентной базы и позволяет осуществлять
сквозное моделирование как дискретных полупроводниковых приборов,
так и интегральных полупроводниковых структур, обеспечивая расчет
полного технологического маршрута изготовления полупроводникового
прибора и последующий анализ статических, динамических и частотных
электрических характеристик приборов в одно-, двух- или трехмерном приближении.
Моделирование
технологии и электрофизических параметров электронной
компонентной базы основано на фундаментальных уравнениях физики,
решаемых методом конечных разностей с использованием расчетных
сеток с адаптивным шагом.
Для организации проектов моделирования, управления другими компонентами
САПР, в том числе для запуска процесса моделирования предназначена
программа-оболочка GENESISe с графическим пользовательским
интерфейсом (рис. 2.1). Физико-технологическое моделирование полупроводниковых
приборов реализуется с помощью программных модулей
DIOS, FLOOPS. Для того чтобы абстрагироваться от физики конкретных
технологических процессов и рассмотреть идеализированную модель, может,
быть использован модуль структурного моделирования DEVISE. Для
оптимизации сетки, построенной при моделировании структуры, используется
модуль MESH. Визуальное отображение и обработка результатов моделирования
полупроводниковых структур выполняется с привлечением
программ TECPLOT, INSPECT.
Менеджер проектов содержит список ранее созданных проектов. Для
создания нового проекта нужно на панели меню выбрать file- > new- > new
project или на панели инструментов кликнуть мышкой по значку
. После
этого появится пустое окно GENESISe.
В рабочее пространство нового проекта необходимо добавить программы-компоненты
САПР, для которых в далее создаются командные
файлы. Для добавления программных модулей в проект нужно правой
кнопкой мыши щелкнуть на надписи No Tools. В появившемся меню выбрать
пункт Add, в запустившемся диалоговом блоке нажать на кнопку
Tools и выбрать из набора пиктограмм требуемый модуль САПР TCAD.
10
Стр.10