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Diplomarbeit Modellkonzept

Ortsdiskretisierung

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5 Das Modellkonzept

5.2 Ortsdiskretisierung

Die Poissongleichung und die beiden Kontinuitätsgleichungen werden zur numerischen Berechnung in Differenzengleichungen für diskrete Punkte in dem interessierenden Gebiet des Halbleiters überführt. Dazu wird das jeweilig betrachtete Gebiet des Halbleiters mit einem eindimensionalen, im allgemeinen nicht äquidistanten Gitter überzogen. Das Gitter ist an den Orten, an denen starke Änderungen der Potentiale zu erwarten sind hinreichend klein zu gestalten, um den numerischen Fehler so gering wie möglich zu halten. Die einzelnen Gitterpunkte und die Abstände zwischen den Gitterpunkten werden wie folgt numeriert:

Bild: Abstand zwischen den Gitterpunkten i - Nummer des Gitterpunktes

hi – Abstand zwischen den Gitterpunkten
i – Nummer des Gitterpunktes

Zur Diskretisierung der Poissongleichung ist ein parabolischer Ansatz für den Potentialverlauf durch drei benachbarte Punkte geeignet. Für die Diskretisierung der Kontinuitätsgleichungen ist ein parabolischer Lösungsansatz für die Quasifermipotentiale nicht geeignet, da hieraus ein exponentieller Verlauf der Stromdichte über dem Ort folgen würde. Das ist jedoch aus dem physikalischen Verständnis des Transistors, wonach die Stromdichte nur eine sehr schwache Ortsabhänigkeit aufweist, nicht vorteilhaft. Da hieraus ein großer Diskretisierungsfehler resultieren würde, ist ein anderer Weg zur Diskretisierung der beiden Kontinuitätsgleichungen sinnvoll.

Dieser Weg zur Diskretisierung der Kontinuitätsgleichungen ist ausführlich in (1) beschrieben worden.Die drei Grundgleichungen in ortsdiskretisierter Form für den statischen Fall sehen wie nachfolgend dargestellt aus:

(1) Poissongleichung

Poissongleichung

(2) Kontinuitätsgleichung der Elektronen

Kontinuitätsgleichung der Elektronen

(3) Kontinuitätsgleichung der Löcher

Kontinuitätsgleichung der Löcher

(1) Scharfetter and Gummel, “Large signal analysis of a silicon pead diode ocillator”, IEEE Trans. on Elektron Dev., vol. ED-16, 1969, S. 64-77

wobei

Gleichung 5.2.4
Gleichung 5.2.5
Gleichung 5.2.6
Image

mit

Eigenleitungsdichten
Beweglichkeiten

Die Eigenleitungsdichten nipi+1/2, nipi-1/2 und die Beweglichkeiten μni+1/2, μpi-1/2, μpi+1/2 werden analog ermittelt. Der Index i-1/2 bedeutet, daß die Stromdichten in dem Bereich zwischen den Gitterpunkten i-1 und i definiert ist. Dies gilt analog für den Index i+1/2.

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Diplomarbeit Modellkonzept

Ausgangspunkt

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5 Das Modellkonzept

5.1 Ausgangspunkt

Als Ausgangspunkt für die theoretische Betrachtung im dynamischen Fall dient ein eindimensionales Modell zur Berechnung des statischen Verhaltens von SiGe- Heterobipolartransistoren. Deshalb wird zunächst das Modellkonzept für den statischen Fall näher beschrieben. Im Rahmen des Drift- Diffusionsmodells mußman im stationären Fall folgende Differentialgleichungen lösen:

(1) Poissongleichung

Poissongleichung

q-Elementarladung, ε – Dielektrizitätskonstante, Ψ – Potential, p -Löcherkonzentration, n – Elektronenkonzentration, N = ND – NA, ND – Donatorkonzentration, NA – Akzeptorkonzentration,

(2) Kontinuitätsgleichung der Elektronen

Kontinuitätsgleichung der Elektronen

jn – Elektronenstromdichte,
R – Nettorekombinationsrate,

(2) Kontinuitätsgleichung der Löcher

Kontinuitätsgleichung der Löcher

jp – Löcherstromdichte

Im Hinblick auf die rechentechnische Lösung dieses Differentialgleichungssystems ist die Einführung von Quasifermipotentialen für die Elektronen und die Löcher sinnvoll. Die Stromdichten erhalten folgende Form:

Stromdichte
Stromdichte

mit

Boltzmann- Näherung für Nichtentartung
Boltzmann- Näherung für Nichtentartung

(Boltzmann- Näherung für Nichtentartung)

ni – Eigenleitungsdichte,
φn, φp – Quasifermipotential der Elektronen bzw. der Löcher,
μn, μp – Beweglichkeit der Elektronen bzw. der Löcher,
Ut – Temperaturspannung (Ut = 25,8 mV bei T = 300 K).

Bei einem Heterobipolartransistor kann man vom Dotierungs- und Germaniumgehalt abhängige Eigenleitungsdichten für Elektronen und Löcher einführen, um Hochdotierungseffekte und insbesondere den Heteroübergang zu beschreiben:

Eigenleitungsdichten für Elektronen und Löcher

Θn,Θp – Bandparameter

Die Bandparameter Θn und Θp hängen nur vom Germaniumanteil ab. Sie beschreiben die relative Änderung der energetischen Lage von Leit- und Valenzbandkante und die Änderung der effektiven Zustandsdichten an den Bandkanten, bezogen auf Silizium ohne Germaniumanteil. Bei der Lösung des Gleichungssystems (5.1.1) – (5.1.3) muß man die Randbedingungen bei der Beschreibung des Basis-, Emitter- und Kollektoranschlusses beachten. Der Heteroübergang führt weiterhin zu einer ortsabhängigen Dielektrizitätskonstante ε. Diese Tatsache wirkt sich auf die Poissongleichung aus:

Poissongleichung

wobei ε jetzt eine Funktion des Germaniumanteils x und damit des Ortes ist,

Poissongleichung als eine Funktion des Germaniumanteils

Eine ausführliche Erläuterung und eine mathematische Beschreibung der oben genannten Punkte, die bei der Modellierung von SiGe- Heterobipolartransistoren berücksichtigt werden müssen, ist in (1) gegeben.

(1) M. Roßberg, “Kurzbeschreibung des Bauelementesimulators HETRA1”, Technische Hochschule Ilmenau, 1991

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Diplomarbeit Grundbetrachtungen

Techniken der Kleinsignalanalyse

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4.2 Techniken der Kleinsignalanalyse von Halbleiterbauelementen

Die Erläuterung der Techniken zur Kleinsignalanalyse werden u.a. in (1) ausführlich vorgenommen. Zur Durchführung der Kleinsignaldevicesimulation lassen sich folgende Techniken für die Berechnung benutzen:

a) Fourier Decomposition of Transient Extractions,

b) Incremantal Charge Partitioning,

c) Sinossoidal Steady- State Analysis.

a) Fourier Decomposition of Transient Extractions

Im dynamischen Fall sind die Spannung und der Strom Funktionen der Zeit: I=I(t), V=V(t). Durch die Fouriertransformation der zeitabhängigen Halbleitergrundgleichungen wird die Zeitabhängigkeit der Differentialgleichungen in eine Frequenzabhängigkeit überführt. Hierbei muß man für die Berechnung komplexe Strom- und Spannungskoeffizienten einführen. Die beiden Größen Strom I und Spannung V stehen in folgender Relation zueinander:
wobei

Gleichungen 4.2.1
Gleichungen 4.2.2

(Ý) – Leitwertmatrix vom Typ (N×N)

N – Anzahl der diskreten Gitterpunkte

G – Leitwertmatrixelement

C – Kapazitätsmatrixelement

ω – Kreisfrequenz

(1) Laux, “Techniques for small-signal analysis of semiconductor devices”, IEEE Trans. on Elektron Devices, vol. ED-32, no. 10, Oct. 1985

Das jeweilige Matrixelement lautet:

Gleichungen 4.2.3

wobei i, j = 1, …, N und

Gleichungen 4.2.5

Daraus folgt für das einzelne Matrixelement:

Gleichungen 4.2.6

Von diesem Matrixelement aus läßt sich das Matrixleitwertelement Gij und das Kapazitätsmatrixelement Cij ermitteln.

Aus den Gleichungen (4.2.2) und (4.2.6) erhält man:

Gleichungen 4.2.7
Gleichungen 4.2.8

Mit diesen Ausgangsgleichungen ist man in der Lage, das dynamische Verhalten eines Bauelements zu beschreiben. Der Nachteil dieser Methode besteht insbesondere darin, daß die Genauigkeit der Lösung sehr stark von der Zeitdiskretisierung abhängig ist.

b) Incremantal Charge Partitioning

Diese Modelle untersuchen die Änderung der Ladungsverteilung ΔQi im diskretisierten Lösungsgebiet. Mittels der Ladungsverteilung kann man die Kapazitätsmatrixelemente Cij bestimmen, wobei die Ladungsänderung ΔQi in folgender Abhängigkeit zu dem Strom steht:

Gleichungen 4.2.9
Gleichungen 4.2.10

Der Nachteil dieser Methode ist, daß bei einem endlich kleinen Spannungssprung der an den Kontakten angelegt, wird ein Diskretisierungsfehler auftritt.

c) Sinossoidal Steady- State Analysis

Bei dieser Methode werden keine Zeit- bzw. Spannungsschritte bei der Lösung der nichtlinearen Halbleitergrundgleichungen vorgenommen und aus diesem Grund treten auch keine Fehler auf die mit deren Diskretisierung in Zusammenhang stehen. Durch eine geeignete Linearisierung der Funktionen im dynamischen Fall kann man mit vergleichsweise geringem Aufwand an Rechenzeit sehr genaue Ergebnisse erzielen. Aufgrund dieser Tatsache wird auf eine weitergehende Diskussion der beiden vorhergehenden Modelle verzichtet. Für weitere Informationen wird auf die Literatur (1), (2) und (3) verwiesen. In dieser Arbeit konzentriert sich die Aufmerksamkeit auf die Sinussoidal Steady- State Analysis. Die Aufstellung eines solchen Modellkonzepts wird im Kapitel 5 dargestellt.

(1) Reiser, “A two-dimensional numerical FET model for AC, DC and largesignal analysis” IEEE Trans. on Elektron Devices, vol ED-20, pp. 35-45, 1973

(2) Ward and Dutton, “A charge oriented model for MOS transistor capacitances”, IEEE J. Solid-Stata Circuits, vol. SC-13, pp. 703-707, Oct. 1978

(3) Robinson et al., “A general four-terminal charging-current model for the insulated gate field effect transistors”, Solid-State Elektron., vol. 23, no. 5, pp. 405-410, May 1980

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Diplomarbeit Grundbetrachtungen

Vorbetrachtungen

Kurse Zertifizierung

4 Grundbetrachtungen der Modellierungstechnik zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Halbleiterbauelementen

4.1 Vorbetrachtungen

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Beschreibung von Transportprozessen in Halbleitern. Dabei handelt es sich um folgende:

1) kinetische Transportmodelle;

– klassische Modelle,

– quantenmechanische Modelle,

2) Drift- Diffusionsmodelle.

Die klassischen Transportmodelle beruhen auf der Anwendung der Boltzmann- Transportgleichung in Mehrteilchensystemen. Die quantenmechanischen Modelle beruhen auf der Schrödinger-gleichung. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung der Bauelemente und der Anwendung von Materialkombinationen, bei denen quantenmechanische Effekte eine zunehmende Rolle einnehmen, werden quantenmechanische Modelle schon in nächster Zeit an Bedeutung gewinnen.

Die meistangewandte Gruppe von Modellierungstechniken zur Beschreibung von Bauelementen bilden in der gegenwärtigen Zeit die Drift- Diffusionsmodelle. Im Rahmen der Aufgabenstellung und der vorhandenen Möglichkeiten (Devicesimulator HETRA) werden die Betrachtungen mit dem Drift- Diffussionsmodell durchgeführt.

Dabei erfolgt die numerische Lösung der Halbleitergrundgleichungen nach der Methode der finiten Differenzen (1). Das Drift- Diffusionsmodell ist Grundlage für den Devicesimulator HETRA (2) mit dessen Hilfe es möglich ist, umfangreiche statische Berechnungen durchzuführen. In Verbindung mit dem Bauelementesimulator HETRA lassen sich verschiedene Möglichkeiten bei der dynamischen Bauelementesimulation anwenden.

(1) H.R. Schwarz, “Numerische Mathematik”, Stuttgart, Teubner Verl., 1985

(2) M. Roßberg, “Kurzbeschreibung des Bauelementesimulators HETRA1”, Technische Hochschule Ilmenau, 1991

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Diplomarbeit Vorteile und Anwendungsgebiete

Vorteile und Anwendungsgebiete

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3 Vorteile und Anwendungsgebiete von SiGe- HBTs

Für besonders schnelle Bauelemente scheinen Halbleitermaterialien, wie GaAs und andere III/V Halbleiter besonders prädestiniert zu sein. Aber aus verschiedenen Gründen (z.B. Kosten, Reproduzierbarkeit und Schaltungskomplexität) wird das Grundmaterial Si bevorzugt.

Die Anwendung des HBT- Konzepts ist vergleichsweise neu im Vergleich zur Realisierung von Transistorstrukturen mit III/V- Halbleitersystemen.

Eine entscheidende Triebkraft in dieser Hinsicht war die Entwicklung von Herstellungstechniken, die mit der Siliziumtechnologie kompatibel sind. Über die technologischen Hintergründe des Herstellungsprozesses von SiGe- HBTs kann man der Literatur (1) ausführliche Informationen entnehmen.

Die HBTs auf Si/SiGe- Basis weisen eine Reihe von Vorteilen auf, die ihre Anwendung in Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen ermöglichen. Einige Vorteile von SiGe- HBTs im Hinblick auf konventionelle Bipolartransistoren ist die Einsatzmöglichkeit als sehr schnelle Verstärkerbauelemente in Informations- und Verarbeitungs-systemen bei hohen Frequenzen.

Es wurden bereits Stromverstärkungen von 5000 und Transitfrequenzen bis 75 GHz bei Raumtemperatur gemessen (2).

Doch dies sind nur einzelne Parameter, für integrierte Schaltungen treten insbesondere parasitäre Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände auf, die es zu berücksichtigen gilt. Bei einem HBT lassen sich, im Vergleich zu einem Homobipolartransistor sehr hohe Basisdotierungen

(z.B. NB ≥ 1019 /cm3) einbringen. Diese höhere Basisdotierung hat einen niedrigeren Basisbahnwiderstand zur Folge, der ein wichtiges parasitäres Element darstellt. Alle Vorteile eines SiGe- HBTs sind jedoch nicht gleichzeitig wirksam, sondern werden den entsprechenden Erfordernissen angepasst.

Die Gesamtheit dieser Vorteile (kleinerer Basiswiderstand, kleinere Basistransitzeit, höherer Emitterwirkungsgrad) in Verbindung mit der technologischen Anpassung an die modernen Verfahren der Si- Strukturierung ergeben eine solide Basis für die weitere Entwicklung der HBTs.

Einige weiterreichende Aspekte in dieser Hinsicht sind in der Literatur (3) und (4) enthalten. Eine Übersicht über die wichtigsten Anwendungsgebiete von HBTs ist in (5) und (6) dargelegt.

(1) Iyer et al. “Heterojunction bipolar transistors using SiGe alloys”, IEEE Trans. on Elektron Devices, vol. 36, no. 10, Oct. 1989

(2) Schreiber und Bosch, “Si/SiGe HBTs für integrierte Schaltungen höchster Geschwindigkeit”, Universität Bochum, April 1992

(3) Chen et al. “a submicron high performance bipolar technology”, IEEE Elektron Device Lett., vol. 10,1989,

(4) Ning and Tang, “Bipolar trends”, IEEE Proc., vol. 74, pp. 1669-1677, 1989,

(5) Taylor and Simmons, “The bipolarinversion channel field effect transistors (BICFET)-A new field effect solid state device: Theory and structure”, Trans. on Elektron Devices , vol. ED-32, pp. 2345-2367, Nov 1985

(6) Taylor and Simmons, “Demonstration of a p-channel BICFET in the GexSi1-x/ Si – system”, IEEE Elektron Device Lett., vol. 10, pp. 14-16, 1989

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Aufbau und Wirkungsweise Diplomarbeit

Aufbau von Heterojunction Bipolartransistoren

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2.2 Aufbau von Heterojunction Bipolartransistoren

In der Abbildung 1 ist ein typischer Aufbau eines SiGe-HBT schematisch dargestellt.

Der schematische Querschnitt eines SiGe-HBTs

Abb. 1 Der schematische Querschnitt eines SiGe-HBTs

Wie auch aus der Abbildung 1 zu ersehen ist, besteht die Basis aus einer hochdotierten SiGe- Schicht, während Emitter und Kollektor aus Si- Schichten bestehen. An einem vereinfachten Bändermodell eines np- Si/SiGe- Übergangs läßt sich die Wirkung des Heteroübergangs verdeutlichen.

Bändermodell eines np- Si/SiGe- Übergangs

Abb. 2 Bändermodell eines np- Si/SiGe- Übergangs

Wie aus der Abbildung 2 zu ersehen ist, besitzt die SiGe- Schicht einen geringeren Band-abstand als die Si- Schicht. Dies ist die Ursache für die Entstehung einer Bandgapdifferenz ΔEg, die dann entsprechend der Gleichung (2.1.8) die Stromverstärkung BN beeinflussen kann. Aus der Abbildung 2 ist ebenfalls zu erkennen, daß die Potentialbarriere, die die Löcher in ihrer Transportwirkung behindert größer ist, als die Potentialbarriere für die Elektronen. Die Werte für EC sind sehr klein und bisher zu ungenau, so daß allgemein ΔEg=ΔEV gesetzt wird. Im Vergleich zu einem konventionellen Bipolartransistor kann der Emitterwirkungsgrad eines SiGe- Heterobipolartransistors durch geeignete Dotierungsverhältnisse wesentlich verbessert werden. Das bedeutet einen Gewinn an Stromverstärkung im Vergleich zu einem Homobipolartransistor.

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Aufbau und Wirkungsweise Diplomarbeit

Prinzipielle Wirkungsweise

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2 Aufbau und Wirkungsweise von Si/Si1-xGex Heterojunction Bipolartransistoren (HBTs)

2.1 Prinzipielle Wirkungsweise

Es gibt viele verschiedene Konzepte von HBTs, welche sich in der Reihenfolge und der Anzahl der einzelnen verwendeten Halbleiter- und Isolatorschichten unterscheiden. In der Literatur (1), (2) und (3) kann man einen Überblick über die wichtigsten Ausführungsformen finden.

Die Tatsache, daß die hier betrachteten Si/Si1-xGex Heterostruktursysteme eine Variation der Bandabstandsdifferenzen aufweisen ( ΔEg = Eg,Si – Eg,SiGe), führt zu einer unterschiedlich hohen Energiebarriere für die Elektronen und Löcher am Si/Si1-xGex Heteroübergang. Gemeinsam mit dem elektrischen Feld wirkt diese Energiebarriere auf die freien Ladungsträger im Halbleiterkristall. Damit lassen sich Verteilung und Fluß der Ladungsträger im Halbleiterkristall steuern.

In einem HBT erfolgt ein Stromfluß und auch der Ladungsträgertransport senkrecht zu der jeweiligen Heterogrenzfläche. Dabei soll die Verteilung und der Fluß sowohl der Elektronen als auch der Löcher beeinflußt werden. Durch eine praktisch brauchbare Kombination von Energiegapvariationen und elektrischen Feldern besteht die Möglichkeit, innerhalb breiter Grenzen die auf die Elektronen und Löcher wirkenden Kräfte zu beeinflussen. Damit erhält man zusätzliche Freiheitsgrade beim Design der Bauelemente, was bei der Anwendung von homogenen Struktursystemen nicht gegeben ist. Dieses Prinzip wurde von Krömer (4) bereits im Jahre 1969 vorgestellt.

Verfolgt man die Logik von Krömer (5) weiter, so kann man die Effizienz der bereits vorgestellten Betrachtungen auf folgende Art und Weise demonstrieren. Ausgangspunkt für die nachfolgenden Überlegungen ist ein npn- HBT mit einem Heteroübergang zwischen Emitter und Basis, hierbei besteht das Emittermaterial aus einer wide-gap Halbleiterschicht. Der Übergang vom Emitter zur Basis erfolgt durch allmähliche Änderung der Zusammensetzung der Materialkomponenten (grading technique).

(1)Iyer et al. “Heterojunction bipolar transistors using SiGe alloys”, IEEE Trans. on Elektron Devices, vol. 36, no. 10. Oct. 1989

(2)Kroemer, “Heterostructure bipolar transistors and integrated circuits”, Proc.of the IEEE, vol. 70, 1, Jan. 1982,

(3)People, “Physics and application of GexSi1-x/Si strained layer heterostructures”, IEEE Journal of Quantum Electronics”, vol. 22, no. 9, Sept. 1986,

(4)Kroemer, “A proposed class of heterojunction injection layers”, Proc. IEEE, vol. 51, pp. 1782-1783, Dec. 1969,

(5) Kroemer, “Theory of a wide gap emitter for transistors”, Proc. IRE, vol. 45, no. 11, pp. 1535-1537, Nov. 1957

Die wichtigsten Stromanteile eines npn- HBTs sind:


a) In – Elektronenstrom, der vom Emitter in die Basis injiziert wird,

b) Ip – Löcherstrom, der von der Basis in den Emitter injiziert wird,

c) Is – Rekombinationsstrom in der Emitter- Basis- Raumladungszone,

d) Ir – Verluste des injizierten Elektronenstroms In durch Rekombination in der Basis.

Der Stromanteil In ist im Wesentlichen der Strom, der als Hauptkomponenete in den Kollektorstrom eingeht. Als parasitäre Beiträge können die anderen Stromanteile verstanden werden. Man kann die Ströme in den Transistorgebieten wie folgt definieren:


Emitterstrom:


-IE = In + Ip + Is


(2.1.1)


Kollektorstrom:


IC = In + Ir


(2.1.2)


Basisstrom:


IB = Ip + Ir + Is


(2.1.3)

Damit kann man die Stromverstärkung für jeden Transistor so definieren:

Gleichung 2.1.4

BN max – maximale Stromverstärkung bei Vernachlässigung der Rekombinationsstöme

Es wird bei einem wide-gap Emitter-HBT hauptsächlich der Wert der maximalen Stromverstärkung bei Vernachlässigung der Rekombinationsstöme verbessert. Um dies zu verdeutlichen, kann man folgende Überlegung anstellen.

NE und NB seien die Dotierkonzentrationen für das Emitter- und Basisgebiet. Die Injektions-ströme in dem Emitter und der Basis lassen sich für nichtentartete Halbleitergebiete in erster Näherung wie folgt darstellen:

Gleichung 2.1.5
Gleichung 2.1.6

vnB und vpE bezeichnen die Geschwindigkeiten der Ladungsträger in dem jeweiligen Gebiet, die durch die kombinierte Wirkung von Drift und Diffusion bestimmt sind. Die Terme qVn und qVp (siehe Abb. 2) stellen die Potentialbarriere für Elektronen und Löcher am Heteroübergang dar. Bei einem wide-gap Emitter kann der Unterschied zwischen den Bandgapenergien im Emitter und der Basis durch

Gleichung 2.1.7

charakterisiert werden. Aus den Gleichungen (2.1.5), (2.1.6) und (2.1.7) folgt:

Gleichung 2.1.8

wobei der Term exp( Δ Eg / kT) einen zusätzlichen Freiheitsgrad beim Bauelementedesign darstellt, im Unterschied zu konventionellen Bipolartransistoren, bei denen Δ Eg= 0 ist.

Δ Eg und damit auch BN max lassen sich durch geeignete Wahl der Materialkomponenten an dem Heteroübergang variieren. Damit entsteht ein zweiter Freiheitsgrad im Zusammenhang mit der Optimierung des parasitären Basiswiderstandes RB, der von der Dotierkonzentration in der Basis abhängig ist.

Es ist damit möglich, sehr hohe Stromverstärkungen BN max zu erreichen, die in Kombination mit einem geringen Basiswiderstand RB die Anwendung von Heterojunction Bipolartransistoren bei sehr hohen Frequenzen interessant machen.

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Allgemeines Diplomarbeit

Einleitung

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1 Einleitung

Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Festkörperforschung und auf dem Gebiet der Einführung Mikroelektronik stehen in enger Beziehung zueinander. Diese Wechselwirkung ist vor allem durch zwei Aspekte gekennzeichnet. Die Entwicklung der Technologie, insbesondere die Konzipierung von neuen Strukturierungs- und Schichtherstellungsverfahren, erlaubt die Herstellung von zunehmend komplizierteren Schichtsystemen. Diese werden als Objekt der modernen Festkörperforschung und der Halbleiterphysik angewandt. Ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung der Mikroelektronik ist die Schaffung von immer schnelleren und von der Funktionsweise her komplexeren Bauelementen.

Neben der fortschreitenden lateralen und vertikalen Miniaturisierung der Bauelemente werden neue Materialsysteme untersucht und verwendet, die einen oder mehrere Heteroübergänge enthalten. Bauelemente auf dieser Grundlage weisen in einigen Punkten andere Eigenschaften auf, als Bauelemente mit homogenen Halbleiterübergängen.

Neben den gitterangepaßten Heterostrukturen, wie z. B. AlxGa1-xAs/GaAs, bei denen der Unterschied der Gitterkonstanten der einzelnen Schichten nicht sehr groß ist, benutzt man in der letzten Zeit zunehmend verspannte Gittersysteme z.B. GaInAs/GaAs oder auch Si/SiGe als Ausgangsbasis für die Konzipierung von verschiedenen Bauelementen. Vor allem durch den Fortschritt auf dem Gebiet der verschiedenen Schichtherstellungsverfahren, z. B. Molekularstrahlepitaxie, RT-CVD und UHV-CVD wurde diese Tatsache in den letzten Jahren deutlicher.

Im Wettbewerb verschiedener Bauelementekonzepte um die Verkürzung von Schaltzeiten, Erhöhung von Verstärkungsfaktoren und Grenzfrequenzen haben sich die Heterojunction Bipolartransistoren (HBTs) als eine mögliche Alternative durchgesetzt. Sowohl gitterangepasste HBTs (AlxGa1-xAs/GaAs- HBT) als auch Si/SiGe- HBTs haben breite potentielle Möglichkeiten bei der Anwendung in der Mikrowellentechnik, der Mikro- und Optoelektronik.

In der hier vorliegenden Arbeit werden Si/SiGe- HBTs als Grundobjekt der theoretischen Untersuchung verwendet. Bei der theoretischen Untersuchung liegt der Schwerpunkt auf der Modellierung des dynamischen Verhaltens dieser Bauelemente. Diese Aufgabe ist im Hinblick auf die Anwendungsgebiete von Heterobipolartransistoren besonders aktuell.

In den Kapiteln 2 und 3 werden einige Grundaspekte der Wirkungsweise, des Aufbaus und der Anwendungsgebiete von HBTs zusammengefasst. Diese vorliegende Arbeit baut auf einer Diplomarbeit (1) auf, deren Thema die “Implementierung von Kleinsignalmodellen in einen Bauelementesimulator” war. Die am Ende dieser Arbeit aufgezeigten Probleme wurden auf ihre Ursachen hin untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurden die Ursachen genauer bestimmt und beseitigt (Kapitel 5.8).

Nach einer kurzen Übersicht der Möglichkeiten der theoretischen Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Halbleiterbauelementen im Kapitel 4 wird ein Modellkonzept zur Modellierung des Kleinsignalverhaltens von Si/SiGe- HBTs im Kapitel 5 vorgestellt. Im Kapitel 6 werden die Ergebnisse der Modellierung dargelegt, mit gemessenen Werten verglichen und diskutiert.

(1) Tschagaljan, “Implementierung von Kleinsignalmodellen in einen Bauelementesimulator”, Diplomarbeit, Technische Hochschule Ilmenau 1992

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Allgemeines Diplomarbeit

Gliederung

Kurse Zertifizierung

0 Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Aufbau und Wirkungsweise von Heterojunction Bipolartransistoren

2.1 Prinzipielle Wirkungsweise

2.2 Aufbau von Heterojunction Bipolartransistoren

3 Vorteile und Anwendungsgebiete

4 Grundbetrachtungen der Modellierungstechniken zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Halbleiterbauelementen

4.1 Vorbetrachtungen

4.2 Techniken der Kleinsignalanalyse von Halbleiterbauelementen

5 Modellkonzept

5.1 Ausgangspunkt

5.2 Ortsdiskretisierung

5.3 Iterationsalgorithmus

5.4 Kleinsignalfall

5.5 Kleinsignalrandbedingungen

5.6 Berechnung der Stromverstärkung

5.7 Berechnung der y-Parameter

5.8 Implementierung in den Devicesimulator HETRA

6 Ergebnisse

6.1 Ergebnisse der Kleinsignalmodellierung

6.2 Stategien zur Gittererzeugung

7 Zusammenfassung

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Allgemeines Diplomarbeit

Thema

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Technische Universität Ilmenau

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Fachgebiet Festkörperelektronik

Diplomarbeit

Thema: Untersuchung der Strategien zur Erzeugung von Gittern für die zweidimensionale Devicesimulation

vorgelegt von Leidig, Michael

Studiengang: Elektrotechnik

Studienrichtung: Festkörperelektronik

Verantwortlicher Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. D. Schipanski

Mitbetreuender wiss. Mitarbeiter: Dipl.-Ing. M. Roßberg

Registrier-Nr.: 141-93 D5

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