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Thesen zur Diplomarbeit

Kurse Zertifizierung

Thesen zur Diplomarbeit

vorgelegt von: Michael Leidig

Studiengang: Elektrotechnik

Studienrichtung: Festkörperelektronik

Themen-Nr.: 141 – 93D / 05

Thema der Diplomarbeit: Untersuchung von Strategien zur Erzeugung von Gittern für die zweidimensionale Device-Simulation

1.Heterojunction Bipolartransistoren (HBT) stellen heute eine mögliche Alternative dar, um Hochgeschwindigkeitsbauelemente und -schaltungen zu realisieren. Die technologische Kompatibilität von Si/SiGe-HBTs mit der konventionellen Si-VLSI- Technologie macht dieses Bauelementekonzept besonders attraktiv.

2.Es wird der Grundaufbau von HBTs vorgestellt und die Grundgedanken der Wirkungsweise von diesen Bauelementen werden erläutert und zusammengefaßt.

3.Die dynamische Devicesimulation von HBTs ist aufgrund der Anwendungsmöglichkeiten von besonderem Interesse. Als Ausgangspunkt der Betrachtungen diente der eindimensionale statische Devicesimulator HETRA, welcher auf der Lösung der Drift- Diffussions- Gleichungen nach der Methode der finiten Differenzen beruht.

4.Aus den Techniken der Kleinsignalanalyse wurde die Sinussoidal-Steady-State Analysis ausgewählt und in den Devicesimulator HETRA implementiert.

5.Im Kleinsignalfall werden die Kontinuitätsgleichungen der Elektronen und Löcher auf geeignete Weise linearisiert. Die Herleitung des Modellkonzepts wird ausführlich erläutert und vorgestellt.

6.Die Basis- und Kollektorrandbedingungen und Gleichungen zur Berechnung von Basisstrom und Kollektorstrom werden aufgestellt. Hierbei werden besondere Probleme bezüglich parasitärer Elemente diskutiert. Im Anschluss daran werden die y-Parameter berechnet, graphisch dargestellt und mit gemessenen Werten verglichen.

7.Auf der Grundlage des erstellten Algorithmus werden Strategien zur Erzeugung von Gittern erprobt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden graphisch dargestellt und bewertet.

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Diplomarbeit erstellt an: Technische Universität Ilmenau
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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

Technische Universität Ilmenau – Link

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Gliederung

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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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