Моделювання комбінованого діода Шоттки
Средствами системы TCAD Studio рассмотрены статические и динамические характеристики двухмерной конечно – разностной модели комбинированного диода Шоттки. Показано, что эффективность управления диодом зависит от величины напряжения на дополнительном электроде –затворе. Установлено, что степень регул...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80951 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Моделювання комбінованого діода Шоттки / Є.М. Кісельов // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 6. — С. 3-7. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859706244247322624 |
|---|---|
| author | Кісельов, Є.М. |
| author_facet | Кісельов, Є.М. |
| citation_txt | Моделювання комбінованого діода Шоттки / Є.М. Кісельов // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 6. — С. 3-7. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Средствами системы TCAD Studio рассмотрены статические и динамические характеристики двухмерной конечно – разностной модели комбинированного диода Шоттки. Показано, что эффективность управления диодом зависит от величины напряжения на дополнительном электроде –затворе. Установлено, что степень регулирования дополнительной емкости, согласно модели, имеет значение примерно 22% .
Засобами системи TCAD Studio розглянуто статичні і динамічні характеристики двовимірної скінченноелементної моделі комбінованого діода Шоттки. Показано, що ефективність керування діодом залежить від величини напруги на додатковому електроді – затворі. Встановлено, що ступінь регулювання додаткової ємності, згідно з моделюі, має значення близько 22 %.
Despite the fact that various designs of Schottky diodes with additional gate were developed and investigated, still little attention has been paid to the simulation of their operation modes at independent change of field electrode potential. The results of two-dimensional physical-topological simulation of combined Schottky diode with electrically separated anode and gate in the computer-aided design system TCAD Studio are given in the paper. Analysis of the obtained results shows that the management effectiveness of combined Schottky diode depends on the voltage value on the additional electrode-gate. The regulation degree of additional diode capacitance, according to the applied model has a value of about 22%. The research results can be used for further optimization of designs of combined Schottky diodes.
|
| first_indexed | 2025-12-01T03:21:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
Є. М. Кісельов, канд. техн. наук
Запорізька державна інженерна
академія
м. Запоріжжя, Україна
e-mail: enmv@rambler.ru
Ключові слова: діод Шоттки, струм,
керування, напруга, затвор, концентра-
ція електронів.
УДК 621.382
МОДЕЛЮВАННЯ КОМБІНОВАНОГО
ДІОДА ШОТТКИ
Анотація. Засобами системи TCAD Studio розглянуто статичні і
динамічні характеристики двовимірної скінченноелементної моделі
комбінованого діода Шоттки. Показано, що ефективність керу-
вання діодом залежить від величини напруги на додатковому елек-
троді –- затворі. Встановлено, що ступінь регулювання додаткової
ємності, згідно з моделюі, має значення близько 22 %.
Вступ
Діоди Шоттки (ДШ) є загально розповсюдженими приладовими структурами на основі контак-
ту «метал – напівпровідник». У сучасній перетворюваній техніці ДШ використовуються у якості ви-
прямляючі прилади. Вони мають менше падіння прямої напруги і підвищену швидкодію порівняно з
діодами на основі p-n переходу. З метою поліпшення параметрів ДШ були розроблені більш доскона-
лі структури [1 – 6], до яких належить комбінований ДШ (КДШ) [7], що поєднує контакт «метал –
напівпровідник» і «метал – діелектрик – напівпровідник» компонента (рис. 1). Ці КДШ, як показано у
[8], потенційно мають розширені функціональні можливості і можуть бути основою для створення
адаптивних сенсорів.
Аналіз літературних даних і постановка проблеми
У [1 – 6] були запропоновані ДШ з вертикальною конструкцією, поліпшення характеристик
яких досягалося за рахунок використання канавкових МОН-структур (Тrench MOS). Таким чином,
електричне поєднання затворів МОН-структур з анодами інтегрованих ДШ призводило до підвищен-
ня зворотної пробійної напруги і швидкості перемикання. Разом з тим, у [1 – 6] основна увага приді-
лялась дослідженням впливу додаткового затвора на випрямляючі властивості ДШ у припущенні од-
накових значень електричного потенціалу на затворі і аноді.
Також було розроблено структуру КДШ [7] з еле-
ктрично розділеними електродами, де за рахунок неза-
лежної зміни потенціалу затвора здійснювалося керу-
вання властивостями контакту «метал – напівпровід-
ник». Попередній аналіз КДШ [7] показав, що за допо-
могою зміни потенціалу на затворі можливо змінювати
умови переносу носіїв заряду через бар’єр Шоттки і
виконувати регулювання ємності, опору і часу переми-
кання діода.
Подальші пов’язані з цим дослідження вимагають ви-
готовлення і діагностики КДШ, що можливі тільки з
використанням найбільш досконалих сучасних техно-
логічних і аналітичних методів, а також інформаційних
технологій [9]. Тому експериментальні дослідження
КДШ є складним, трудомістким і витратним завданням.
Альтернативою цьому може бути використання мето-
дів математичного моделювання, які базуються на
Рис. 1. Структура комбінованого діода
Шоттки: Ud – потенціал катода; Ug –
потенціал затвору; U – потенціал конта-
кту «метал – напівпровідник»
двовимірних чисельних методах розрахунку транспорту носіїв і динамічних характеристик приладів
[10]. Таким чином, для уявлення, як впливає додатковий затвор на процеси переносу заряду, необхід-
но провести дослідження розподілу потенціалу, носіїв заряду і динамічних параметрів КДШ.
Синтез сіткової моделі комбінованого діоду Шоттки
У разі відсутності моделей складних об'єктів для опису поведінки цих об'єктів широко викорис-
товується метод аналізу скінченних елементів. Існує декілька фірм, які займаються розробкою про-
грам і моделей окремих фізичних властивостей, що дозволяють проводити моделювання поведінки
об'єктів методом кінцевих елементів. З існуючих систем програмного забезпечення до проведення
фізико-топологічних моделювання КДШ було обрано систему TCAD Studio [11].
ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 6 3
© Є. М. Кісельов, 2013
mailto:enmv@rambler.ru
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
Двовимірна модель КДШ у TCAD Studio, згідно з рис. 1, містить контакт з бар’єром Шоттки і
омічний контакт, сформований до напівпровідника n – типу, на якому також виконано затвор, ізольо-
ваний від діода шаром діелектрика. Розміри КДШ становлять 10 х 15 мкм із довжинами областей n+ i
n – 10 мкм і 5 мкм відповідно. Для контакту Шоттки робота виходу з металу – 5,2 еВ. Товщина слою
оксиду, що ізолює затвор від активної області встановлена 0,1 мкм.
На рис.2. представлено двовимірну модель комбінованого діода Шоттки, зокрема на рис. 2, а
наведено область розв’язання рівняння Пуассона і пов'язаних з ним рівнянь, що мають еліптичний
вигляд з експоненціальною нелінійністю та розв'язуються в прямокутній області напівпровідника. У
оксиді затвора необхідно розв’язати тільки рівняння Лапласа, оскільки там немає просторового заря-
ду. Відповідна розроблена модель характеризується розмірністю 572 вузли і 1054 елементи. Концен-
трації легуючих домішок встановлювались на рівнях 1019 см-3 для n+ - області та
1015см-3 для n області (рис. 2, б).
а)
б)
Рис. 2. Двовимірна модель комбінованого діода Шоттки: а) – досліджувана область і прямо-
кутна сітка в моделі діода Шоттки; б) – розподіл концентрації легуючих домішок
У критичних областях з великими помилками дискретизації крок сітки завдано низьким, тоді як
в областях з невеликими помилками його було збільшено.
Результати фізико-топологічного моделювання діода Шоттки
Результати фізико-топологічного моделювання КДШ наведені на рис. 3 у вигляді розподілу
електростатичного потенціалу. Аналіз рис. 3 показує, що при прямому зміщенні діода і напрузі на
затворі 2В потенціал різко змінюється
на границі областей просторового за-
ряду контакту Шоттки і границі n – n+
областей у об’ємі.
Разом з тим у приповерхневій області
стрибки потенціалу мають значно бі-
льше значення. Але градієнт змін зме-
ншується при збільшенні величини
прямого зміщення і при напрузі на
аноді понад 2В відбувається зміна ти-
пу провідності приповерхневого шару
у області контакту Шоттки, а діод пе-
рестає мати випрямляючу властивість.
Це обмежує робочі режими структури.
При цьому розподіл струму і концент-
рації електронів відповідає даним, на-
веденим на рис. 4.
Аналіз рис. 4 показує, що при
Рис. 3. Розподіл електростатичного потенціалу у діоді
Шоттки
зміні величини затворної напруги у робочому діапазоні змінюються струм і послідовний опір діода.
Керування струмом при цьому відбувається за рахунок розширення збідненого шару затвора аж до
границі бар’єра Шоттки, що призводить до проколу n – шару, збільшенню товщини шару об’ємного
заряду бар’єра Шоттки, зменшенню напруги поля у бар’єрі і підвищенню послідовного опору. У ре-
зультаті зростає висота бар’єра за рахунок зниження сил дзеркального відображення [7].
4 ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 6
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
а)
б)
Рис. 4. Структура діода шоттки: а) – розподіл струму; б) – концентрація електронів
Таким чином, при зміні напруги на затворі від нуля до 2В потенціал змінюється від 0,54В до
1,5В і ефективність керування залежить від величини напруги на польовому електроді.
З результатів моделювання зворотних гілок ВАХ КДШ при напрузі на затворі від -14 до 4В ви-
пливає, що при зростанні негативної напруги на затворі зворотній струм зменшується при зростанні
величини зсуву на одиниці А -14. Протилежним чином відбувається зміна стуму при позитивних за-
творних напругах – він зростає, але не настільки стрімко, як при негативних напругах. Разом з тим,
можливо відмітити, що збільшення позитивної напруги на затворі призводить до зменшення напруги
пробою діода. Так, при напрузі на затворі 4В пробій відбувається при напрузі на аноді 5,9В.
Дослідження впливу напруги на затворі виконувалося при фіксованій напрузі на аноді, що дорі-
внювала -2В. При цьому встановлено, що на пряму гілку ВАХ діода напруга на затворі практично не
впливає при зміні у діапазоні 0 – 20В.
При прямих зміщеннях діода незначний вплив напруги на затворі відбувається тільки на лінійних
ділянках ВАХ. За умов, що наближуються до проколу бази, може відбуватися аномальна зміна провідно-
сті нейтральної бази та послідовного опору. Це викликано інжекцією дірок, що призводить до утворення
додаткового заряду електронів, які повинні увійти до нейтральної бази для компенсації заряду дірок.
Результати досліджень динамічних характеристик КДШ наведено на рис. 5, 6.
а)
б)
ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 6 5
Рис. 5. Часові залежності: а) – повного; б) – дірочного струмів, що протікають через діод:
DEV1 A Total Current – повний струм; DEV1 A Hole Current – дірочний струм; DEV1 A Time – час
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
З рис. 5 випливає, що викид
зворотного струму у КДШ обумов-
люється надлишком дірок. При під-
вищенні напруги на затворі збільшу-
ється концентрація надлишкових
носіїв у базі діода за рахунок розши-
рення збідненого шару, який поєд-
нується з шаром бар’єра Шоттки.
Разом з тим збільшення часу
відновлення КДШ (рис. 6) може бу-
ти пояснено появою додаткових єм-
ностей. Ємність затвору у цьому ви-
падку дорівнює ємності послідовно
ввімкнених областей оксиду і ємнос-
ті області збіднення. Ємність бар’єру
Шоттки замкнена зовнішнім
з’єднанням n+ - області і контакту
бар’єра Шоттки , що дозволяє оціни-
ти зміну сумарної ємності КДШ.
Але результати, показані на рис. 6,
Рис. 6. Залежність максимального значення зворотно-
го струму (▲) і часу відновлення зворотного опору (●) від
напруги на затворі діода
дозволяють встановити, що межі зміни додаткової ємності становлять близько 22 % на відміну від
очікуваних 50 % [7].
Таким чином подальші дослідження можуть бути пов’язані з дослідженням конструкцій КДШ з
додатковим затвором, що дозволять збільшити ступінь регулювання статичних і динамічних характе-
ристик. Для цього можливо виконати дослідження конструкції, що показана на рис. 1, додатково вра-
ховуючи явища пробою і польової залежності рухливості носіїв заряду і їх тунелювання скрізь поте-
нційні бар’єри [12].
Висновки
Встановлено, що КДШ характеризується зміною густини об’ємного заряду у підзатворних об-
ластях при зміні напруги на затворі. Це призводить до змін ємності і опору між катодом та анодом
таких структур.
Показано, що при зміні напруги на затворі КДШ від нуля до 2В бар’єрний потенціал змінюється
від 0,54 до 1,5В і ефективність керування залежить від величини напруги на польовому електроді.
При зростанні негативної напруги на затворі зворотний струм зменшується при зростанні величини
зсуву на одиниці А-14. Разом з тим збільшення позитивної напруги на затворі призводить до зменшен-
ня напруги пробою діода. Так, при напрузі на затворі 4В, пробій відбувається при напрузі на аноді
5,9В. Встановлено, що ступінь регулювання додаткової ємності КДШ становить близько 22 % у ро-
бочих режимах.
Література
1. Mahalingam, S. The graded doped trench MOS barrier Schottky rectifier: A low forward drop high voltage
rectifier [Text] / S. Mahalingam, B. J. Baliga // Solid-State Electronics. – 1999. – Vol. 43. – P. 1 – 9.
2. Hsu, W.C.W. A Novel Trench Termination Design for 100-V TMBS Diode Application [Text] /
W.C.W. Hsu, C.M. Liu, M.G. Kao et al. // IEEE Electron Device Letters. – 2001. – Vol. 22. – № 11. – P. 551 – 552.
3. Kumar, M.J. Silicon-on-Insulator Lateral Dual Sidewall Schottky (SOI-LDSS) Concept for Improved
Rectifier Performance: A Two-Dimensional Simulation Study [Text] / M.J. Kumar, C.L. Reddy // Microelectronics
International. – 2006. – Vol. 23. – № 1. – P. 16 – 18.
4. Rusu, A. Gate controlled diode – a new way for electronic circuits [Text] / A. Rusu, C. Bulucea // Proc.
Romanian Academy. Series A. – 2009. – Vol. 10. – № 3. – P. 1 – 6.
5. Trench MOS диоды Шоттки [Электронный ресурс] Режим доступа:
www.platan.ru/library/Trench_MOS.pdf (accessed 5 December 2013).
6. Kumar, M.J. New Schottky-gate Bipolar Mode Field Effect Transistor (SBMFET): Design and Analysis
using Two-dimensional Simulation [Text] / M.J. Kumar, H. Bahl // IEEE Trans. on Electron Devices. – 2006. – Vol. 53.
– P. 2364 – 2369.
6 ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 6
7. Костенко, В.Л. Комбинированные твердотельные структуры и микроэлектронные сенсоры [Текст] /
В.Л. Костенко. – Запорожье: Издательство Зап. гос. инж. ак., 1997. – 109 с.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 6 7
8. Костенко, В. Л. Измерительные преобразователи на основе комбинированных твердотельных струк-
тур [Текст] / В. Л. Костенко, Е. Я. Швец, Е. Н. Киселев, Н. А. Омельчук. – Запорожье: Издательство Зап. гос.
инж. ак., 2001. – 175 с.
9. Міхалєевський, Д. Дослідження шумових характеристик біполярного транзистора в області середніх
частот [Текст] / Д. Міхалєвський// Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2012. – T. 6, № 11(60).
– С. 33-36. – Режим доступу: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/6001
10. Еременко, А. Двухмерное приборно-технологическое моделирование. Оптимизация конструкции
высоковольтного биполярного npn транзистора [Текст] / А. Еременко, Н. Зайцев, А. Новоселов, И. Романов //
Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2002. – №4. – С. 58 – 60.
11. Device & Process Simulation: Part №: MPEM – CAD – Simulator – TCAD, Available at:
http://www.microport.com.tw/english/SingleP.asp?Category=175&PNo=262&Url=Product&page=1 (accessed 5
December 2013).
12. Mudanai, S. Modeling of direct tunneling current through gate dielectric stacks [Text] / S. Mudanai,
Y. Y. Fan, Q. Ouyang et al. // Transaction on Electron Devices. – 2000. – Vol. 47. – № 10. – Р. 1851 – 1857.
Надійшла до редакції 11.11.13
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80951 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-01T03:21:38Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кісельов, Є.М. 2015-04-28T18:41:44Z 2015-04-28T18:41:44Z 2013 Моделювання комбінованого діода Шоттки / Є.М. Кісельов // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 6. — С. 3-7. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80951 621.382 Средствами системы TCAD Studio рассмотрены статические и динамические характеристики двухмерной конечно – разностной модели комбинированного диода Шоттки. Показано, что эффективность управления диодом зависит от величины напряжения на дополнительном электроде –затворе. Установлено, что степень регулирования дополнительной емкости, согласно модели, имеет значение примерно 22% . Засобами системи TCAD Studio розглянуто статичні і динамічні характеристики двовимірної скінченноелементної моделі комбінованого діода Шоттки. Показано, що ефективність керування діодом залежить від величини напруги на додатковому електроді – затворі. Встановлено, що ступінь регулювання додаткової ємності, згідно з моделюі, має значення близько 22 %. Despite the fact that various designs of Schottky diodes with additional gate were developed and investigated, still little attention has been paid to the simulation of their operation modes at independent change of field electrode potential. The results of two-dimensional physical-topological simulation of combined Schottky diode with electrically separated anode and gate in the computer-aided design system TCAD Studio are given in the paper. Analysis of the obtained results shows that the management effectiveness of combined Schottky diode depends on the voltage value on the additional electrode-gate. The regulation degree of additional diode capacitance, according to the applied model has a value of about 22%. The research results can be used for further optimization of designs of combined Schottky diodes. uk Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Энергетическое машиностроение Моделювання комбінованого діода Шоттки Моделирование комбинированного диода Шоттки Simulation of combined Schottky diode Article published earlier |
| spellingShingle | Моделювання комбінованого діода Шоттки Кісельов, Є.М. Энергетическое машиностроение |
| title | Моделювання комбінованого діода Шоттки |
| title_alt | Моделирование комбинированного диода Шоттки Simulation of combined Schottky diode |
| title_full | Моделювання комбінованого діода Шоттки |
| title_fullStr | Моделювання комбінованого діода Шоттки |
| title_full_unstemmed | Моделювання комбінованого діода Шоттки |
| title_short | Моделювання комбінованого діода Шоттки |
| title_sort | моделювання комбінованого діода шоттки |
| topic | Энергетическое машиностроение |
| topic_facet | Энергетическое машиностроение |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80951 |
| work_keys_str_mv | AT kíselʹovêm modelûvannâkombínovanogodíodašottki AT kíselʹovêm modelirovaniekombinirovannogodiodašottki AT kíselʹovêm simulationofcombinedschottkydiode |