| Titre : | simylation bidimensionnelle de l'effet des pièges profonds dans le substrat sur les caractéristiques des transistors à effet de champ en arséniure de gallium (GaAs FETs) |
| Auteurs : | Nora Amele Abdeslam, Auteur |
| Type de document : | Thése doctorat |
| Editeur : | Biskra [Algérie] : Faculté des Sciences Exactes et des Sciences de la Nature et de la Vie, Université Mohamed Khider, 2013 |
| Format : | 1 vol. (163p.) / couv. ill. en coul / 30 cm |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | GaAs FETs,Backgating,pièges profonds,modèle Hydrodynamique,FDTD,domaine temporal,effets d’onde |
| Résumé : |
Dans cette thèse, la réduction de la conductance des transistors GaAs FETs par une tension négative appliquée au substrat (effet backgating ou sidegating) a été modélisée numériquement dans le but de préciser quel est le type de piège responsable de ce phénomène. La modélisation dérive-diffusion est effectuée pour plusieurs ensembles de niveaux profonds dans le substrat. Il a été observé que les accepteurs profonds sont principalement responsables du backgating et ce, indépendamment du type de niveau peu profond dans le substrat. Dans ce cas, il n'existe pas de seuil. Lorsque les niveaux donneurs profonds sont présents dans le substrat, on observe que cet effet est réduit avec une tension de seui. La présence d'une couche tampon entre le canal et le substrat semi-isolant contribue également à réduire l’effet backgating. Le modèle hydrodynamique bidimensionnel est réalisé pour prédire les performances des transistors de puissance III-V à grille courte. Le modèle est basé sur les équations de conservation, déduites de l'équation de transport de Boltzmann, et résolues dans leur forme entière. Ce modèle est également bien adapté pour étudier les effets des niveaux profonds de substrat sur le dispositif. Les résultats du modèle hydrodynamique (modèle physique) ont été comparés à celui du modèle entièrement-distribué (modèle électrique), en particulier, dans le cas de fonctionnement en hautes fréquences où les dimensions des électrodes des transistors comme les FET deviennent comparables à la longueur d'onde, mettant en évidence l’effet parasite de la propagation des ondes. Ainsi, cet effet doit être évalué avec précision afin d'assurer une conception fiable. Dans le modèle électrique, les électrodes des transistors ont été divisées en un nombre infini de segments, chaque segment étant considéré comme une combinaison de trois lignes de transmission couplées et d’un circuit équivalent FET classique. Les équations différentielles résultantes ont été résolues en utilisant la méthode des différences finies dans le domaine temporel, une approche temporelle précise et efficace de modélisation du transistor. En outre, nous avons démontré l’aptitude du modèle hydrodynamique bidimensionnel de fournir des indications précieuses sur les caractéristiques des composants, indications confirmées par les mesures. Ainsi, le modèle HDM a été utilisé pour étudier l'effet de la longueur de la grille et la profondeur de son recess sur le MESFET à grille creusée et le pHEMT. Il a été constaté que les performances sont améliorées en réduisant la longueur de la grille et l’augmentation de son approfondissement. L’effet de l’augmentation de la densité de la couche delta–doped a été aussi étudié. En effet, ca améliore l'efficacité du transfert des électrons de la couche AlGaAs au canal InGaAs. Pour les niveaux profonds, il a été constaté que les accepteurs profonds améliorent les performances des transistors tandis que les donateurs profonds les dégradent. |
| Sommaire : |
Abstract i Résumé ii iiiملخص Acknowledgement v Dedication vi Table of Contents vii List of Figures xi List of Tables xv List of Acronyms xvii List of Symbols xviii Introduction 1 Motivation 1 Contribution overview 3 Thesis Outline 4 Chapter I Field Effect Transistors 5 I.1 Introduction 5 I.2 Properties of Material for MESFETs and HEMTs 6 I.2.1 GaAs Material 6 I.2.2 AlxGa1-xAs alloys 7 I.2.3 In1-xGaxAsyP1-y alloys 8 I.3 The GaAs MESFET technology 9 I-4 GaAs MESFET operation 11 I.5 High electron mobility transistors 13 I.5.1 Introduction 13 I.5.2.1 Analytical description of HEMT operation 14 I.5.2.1 Linear charge control model 14 I.5.2.2 Modulation efficiency 16 I.5.2.3 Current-voltage (I-V) models for HEMT 17 I.5.3 .3 Material systems for HEMTs 18 I.5.3.1 AlGaAs/(In)GaAs/GaAs (GaAs pHEMT) 22 I.6 Comparative study of HEMT, pHEMT and MESFET 23 I.6.1 Low-noise applications 24 I.6.2 Microwave Power Applications 26 Chapter II Physical Modelling of Field Effect Transistors 29 II.1 Introduction 29 II.2 Two Dimensional Hydrodynamic FET Model 30 II.2.1 Model description 30 II.2.2 Poisson’ equation 31 II.2.3 Carrier statistics 31 II.2.4 Hydrodynamic transport equations 33 II.2.5 Carrier mobility 35 II.2.5.1 Standard field-dependent mobility 35 II.2.5.2 Negative differential mobility 36 II.2.6 Boundary physics 36 II.2.7 Numerical solution procedures 37 II.2.7.1 Meshes 38 II.2.7.2 Newton method 39 II.2.7.3 The current driven DC I-V simulation 39 II.3 The drift diffusion model 40 II.3.1 Model Description 40 II.3.2 Numerical resolution 42 II.4 Deep level effects on GaAs MESFETs and HEMTs 43 II.4.1 The Nature of deep denters in different varieties of Gallium-Arsenide 44 II.4.2 The deep level in HEMTs 46 II.4.2.1 The DX center model 47 II.4.2.2 The substrate trap model 48 II.4.3 Backgating effect 49 Chapter III Analytical and Electrical Modelling of Field Effect Transistors 51 III.1 Introduction 51 III.2 The MESFET 52 III.2.1 Device description 52 III.2.2 Physical meaning of the circuit elements 54 III.2.2.1 Intrinsic elements 57 III.2.2.2 Parasitic inductances Lg, Ld and Ls 57 III.2.2.3 Parasitic resistances Rs, Rd and Rg 58 III.2.2.4 Parasitic capacitances Cpg and Cpd 58 III.2.2.5 Cut-off frequency 59 III.2.2.6 Transconductance delay 59 III.3 Small-signal model 60 III.3.1 Introduction 60 III.3.2 Parameter extraction technologies for GaAsFET Small-signal model 60 III.3.2.1 De-embedding technique 60 III.3.2.2 De-embedding procedure of typical FET device parasitic 61 III.3.3 Cold-FET Techniques 62 III.3.3.1 Extraction of parasitic resistances and inductances 62 III.3.4 Hot-FET Techniques 65 III.4 MESFET Nonlinear properties: Large-signal models 66 III.5 Nonlinear transistor models 67 III.5.1 Curtice quadratic model 67 III.5.2 Materka model 68 III.5.3 Statz model 70 III.5.4 Curtice Ettenberg Cubic model 72 III.6 Finite Differential Time Domain Analysis (FDTD) 74 III.6.1 Introduction 74 III.6.2 Model Identification 75 III.6.2.1 Solution of the linear system 78 Chapter IV Results and discussions 81 IV.1 Introduction 81 IV.2 Planar GaAs MESFET 82 IV.2.1. Introduction 82 IV.2.2. Sample structure 82 IV.2.5 Backgating effect 83 IV.2.6 Simulation results 84 IV.2.6.1 The effect of deep acceptors and donors 84 IV.2.6.2 The presence of a buffer layer 85 IV.2.7 Conclusion 87 IV.3 Recessed gate GaAs MESFET 87 IV.3.1 Introduction 87 IV.3.2 The hydrodynamic model 87 IV.3.3 Electrical modelling 91 IV.3.4 Comparison between HDM and ADS 95 IV.3.5 Effect of the gate length 99 IV.3.5.1 Effect of the gate length on the I-V characteristics 99 IV.3.5.2 Effect of the gate length on the transconductance 100 IV.3.5.3 Effect of the gate length on the output conductance 100 IV.3.5.4 Effect of the gate length on the capacitances 101 IV.3.6 Effect of recess gate depth 104 IV.3.6.1 Effect of recess gate depth on the I-V characteristics 104 IV.3.6.2 Effect of recess gate depth on the transconductance 105 IV.3.6.3 Effect of recess gate depth on the output condcutance 107 IV.3.6.4 Effect of recess gate depth on the capacitances 107 IV.3.7 Nonlinear-regime capacitance 109 IV.4 The AlGaAs/InGaAs/GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor (pHEMT) 112 IV.4.1 The I-V characteristics for AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT 112 IV.4.2 The transconductance-voltage dependence of the AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT 113 IV.4.3 The output conductance-voltage dependence of the AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT 114 IV.4.4 The delta doping dependence of the AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT 115 IV.4.5 Trapping effect on the HEMTs element parameters 116 IV.5 Summary 118 Conclusion and Future Work 122 Appendix A: Helpful definitions 124 A.I. Introduction 124 A.II. Some helpful electron transport model definitions 126 A. II.1 Boltzmann's transport equation: 126 A.II.2 The drift diffusion model 130 A.II.3 Deriving hydrodynamic equations from the Boltzmann equation 133 A.III Monte Carlo Method 135 Appendix B: Defining terms 138 References 147 |
| En ligne : | http://thesis.univ-biskra.dz/2395/ |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut |
|---|---|---|---|
| TPHY/29 | Théses de doctorat | bibliothèque sciences exactes | Consultable |
