آموزش طراحی ترانزیستور GaN HEMT و تحلیل در سیلواکو

معرفی ادوات GaN HEMT :

ترانزیستور های HEMT نوعی از ترانزیستور های اثر میدانی می باشد که از ترکیب دو نیمه هادی با گاف انرژی متفاوت به وجود آمده است. در این ترانزیستور ها از مواد ترکیبی مانند GaAs و AlGaAs با گاف های انرژی متفاوت بسته به کاربرد استفاده می شود.

در ترانزیستور های GaN اتم های ناخالصی در یک نیمه هادی با گاف انرژی بزرگ (لایه سد) تزریق می شوند که نقش عایق گیت را دارند. کانال ترانزیستور یک نیمه هادی با گاف انرژی کوچک تر (لایه کانال) است که الکترون ها از نیمه هادی با گاف انرژب بزرگ تر به این کانال وارد می شوند و یک لای گاز الکترون دو بعدی را تشکیل می دهند. به دلیل عدم وجود ناخالصی، قابلیت تحرک الکترون در کانال ترانزیستور زیاد است. قابلیت تحرک زیاد و ابعاد کوچک باعث می شود که ترانزیستور هایی با فرکانس قطع چند صد گیگاهرتز ساخته شوند.

در میان انواع ترانزیستور های HEMT گالیم نایترایدها به دلید داشتن گاف انرژی بزرگتر، میدان شکست بزرگتر، قابلیت تحرک بالای الکترون ها و توانایی ایجاد ساختارهای متجانس در ماتریس مواد N (In,Al,Ga) ویژگی جذاب تری نسبت به PHEMT های گالیم آرسناید دارند. علاوه بر داشتن گاف انرژ بزرگ، مهم ترین ویژگی این ساختارها داشتن پلاریزاسیون می باشد.

گاف انرژی بزرگ گالیم نیتراید، این ترکیب را به عنوان کاندیدای مناسبی برای کاربردهای فرکانس بالا، توان بالا و دمای بالا مطرح کرده است.

انتظار می رود ترانزیستور های HEMT ساخته شده با AlGaN/GaN جایگزین ادوات متداول گروه 3 و 5 و لامپ های خلا در بسیاری از کاربردهای دفاعی و صنعتی شوند.

در ابتدا برنامه atlas فراخانی می شود

go atlas

در این مرحله برای راحتی کار متغیرها را تعریف میکنیم. به این منظور با دستور set متغییر را معرفی نموده و مقدار آن را مشخص میکنیم. در اینجا متغییر vstart و vstop وvinc به ترتیب برای نقطه شروع سوئیپ، پایان سوئیپ و گامهای افزایش ولتاژ تعیین میشود.

set vstart = 0

set vstop = 15

set vinc = .5

در مرحله بعد لازم است مش بندی صورت گیرد. در این پروژه از مش منفی برای y استفاده شده است.

mesh width=100 ^diag.flip

#x mesh

x.m l=0 s=0.2

x.m l=0.5 s=0.2

x.m l=1.0 s=0.1

x.m l=3 s=0.25

x.m l=4 s=0.25

x.m l=6 s=0.1

x.m l=9 s=0.75

#y mesh

y.m l=-20 s=3

y.m l=-5 s=1

y.m l=0.2 s=0.2

y.m l=0.5 s=0.01

y.m l=0.5267 s=0.0025

y.m l=0.75 s=0.1

y.m l=1.0 s=0.05

y.m l=2.0 s=0.25

y.m l=3.0 s=3

y.m l=20 s=3

در این قسمت با توجه به ساختار مورد نظر به ترتیب مناطق تعریف میشود. در تعریف منطقه 1 با توجه به درصد AL برای پارامتر x.comp مقدار 0.25 انتخاب شد. همواره قبل از تعیین مقدار برای comp با بررسی در HELP نرم افزار از تعلق comp به کدام عنصر اطمینان حاصل کنید.

region num=1 x.min=0.5 x.max=8.5 y.max=0.5267 mat=AlGaN x.comp=0.25

region num=2 x.min=0.0 x.max=9.0 y.min=-5 y.max=0.5 mat=nitride insulator

با توجه به این برای مدلسازی اثرات پلاریزاسیون قصد استفاده از دستورات پلا ریزاسیون داریم. حتما باید برای ماده ای که می خواهیم در آن هتروساختار پلاریزاسیون را بررسی کنیم عبارت substrate استفاده نماییم. در صورت عدم نوشتن عبارت substrate برای هیچ کدام از مناطق در زمان شبیه سازی خطا داده می شود.

region num=3 x.min=0.5 x.max=8.5 y.min=0.5267 y.max=1 mat=GaN donors=1e15 substrate

region num=4 x.min=0.0 x.max=9.0 y.min=1.0 y.max=2.0 mat=GaN

region num=5 x.min=0.0 x.max=9.0 y.min=2.0 y.max=20.0

mat=sapphire insulator

در انتها لایه AlN که به عنوان هیت سینگ به کار رفته است را تعریف می نماییم.

region num=6 x.min=0.0 x.max=9.0 y.min=-20 y.max=-5 mat=AlN

بعد از تعریف تمامی ساختارها نوبت به تعریف الکترودها می باشد. توجه شود که نوشتن عبارت bottom الکترود بدنه را در انتهای ساختار قرار می دهد.

elec num=1 name=source x.min=0 x.max=1 y.min=-5 y.max=1

elec num=2 name=drain x.min=6 x.max=9 y.min=-5 y.max=1

elec num=3 name=gate x.min=3 x.max=4 y.min=0.2 y.max=0.5

elec num=4 substrate bottom

تا اینجا ساختار افزاره HEMT مشخص شد.برای ادمه آموزش های ما را دنبال نمایید.