Wird der zwischen den Drain- und Sourceelektroden fließende Strom IDS in Abhängigkeit von der Drain-(Source-)spannung VDS mit der Gate-(Source-)spannung VGS als Parameter aufgetragen, so erhält man das Ausgangskennlinienfeld. Die Darstellung des Drainstroms über der Gatespannung (Drainspannung konstant) wird Transferkennlinie genannt (Abb. 5.10). International üblich ist die Betrachtung der Transferkennlinie bei VDS = 2 V. Bei dieser Drainspannung befindet man sich im allgemeinen bereits im Sättigungsgebiet des Drainstroms - also außerhalb des Anlaufgebietes bei kleineren Drainspannungen - jedoch noch nicht im Durchbruchgebiet. Die Steigung der Ausgangskennlinien (Gatespannung konstant) ist der Ausgangsleitwert gD = IDS/VDS, die Steigung der Transferkennlinie ist die Steilheit (transconductance) gm = IDS/VGS und der Drainstrom bei VDS = 2 V und VGS = 0 V wird mit IDSS abgekürzt.
Die von HELENA berechneten Drainströme sind nur intrinsische Werte, d.h. sie berücksichtigen nicht die Widerstände der Source-, Drain- und Gateelektroden. Die intrinsischen Simulationsergebnisse mußten daher auf extrinsische Werte umgerechnet werden, um sie mit den Meßergebnissen vergleichen zu können. Abbildung 5.10 zeigt den Vergleich zwischen Messungen und aus HELENA-Simulationen ermittelten extrinsischen Kennlinien. Der Vergleich der Ausgangskennlinienfelder zeigt, daß trotz der Umrechnung auf extrinsische Werte der Ausgangsleitwert durch die Simulation nicht gut reproduziert wird. Dies hängt damit zusammen, daß HELENA die p-Dotierung des Buffers nicht berücksichtigt. Die sehr gute Anpassung der Transferkennlinie bei Vds = 2 V an die Meßwerte läßt sich daher nicht auf anderen Bereiche des Ausgangskennlinienfeldes übertragen.
Abbildung 5.10: Ausgangskennlinienfeld (mit Gatespannung als Parameter) und Transferkennlinie (VDS = 2 V) für einen konventionellen HFET mit LG = 300 nm und WG = 180 mm. Vergleich von Messung (Symbole) und HELENA-Simulation (Linien).
Abbildung 5.11: Ausgangsleitwert und Steilheit für
die Kennlinien in
Abb. 5.10. Vergleich von Messung (Symbole), Kleinsignal-Ersatzschaltbild-Parameterextraktion
(Symbol + Linie) und HELENA-Simulation (Linien).
Für Abbildung 5.11 wurde zusätzlich eine Kleinsignal-Ersatzschaltbild-Parameterextraktion (K.E.P.) durchgeführt. Der Vergleich zeigt deutlich, daß der Ausgangsleitwert von HELENA sehr schlecht simuliert wird. Sowohl die Meßwerte, als auch die K.E.P.-Werte weichen deutlich von der Simulation ab. Dagegen stimmen die extrinsischen Werte der simulierten Steilheit sehr gut mit den entsprechende Meßwerten überein, während die intrinsische Simulation eine gute Übereinstimmung mit den K.E.P.-Werten zeigt. Dies ist auch folgerichtig, denn HELENA ermittelt die gezeigten Leitwerte und einige weitere Größen ebenfalls über ein solches Verfahren. Die Abnahme der Steilheit bei höheren Gatespannungen (Abb. 5.11) korreliert mit der beginnenden Sättigung des Drainstroms (Abb. 5.10). Diese Sättigung kommt zum einen durch das Erreichen der kritischen Feldstärke im Kanal, zum anderen durch Elektroneneinfang ionisierter tiefer Störstellen unter dem Gate zustande. Die Ausbildung eines parasitären Kanals im dotierten AlxGa1-xAs-Supply bildet einen zusätzlichen Beitrag zum Sättigungsverhalten. Die Abnahme der Steilheit bei Erhöhung der Gatespannung zu verhindern, ist ein weiteres Ziel der Bauelemententwicklung.
Die über das Ladungskontrollverhalten berechneten Gatekapazitäten können nicht ganz so gut mit Messungen in Übereinstimmung gebracht werden, wie die Ergebnisse von SPS. Dies ist vermutlich darin begründet, daß HELENA die SCHRÖDINGER- und POISSON-Gleichung nicht selbstkonsistent löst, sondern auf Tabellenwerte zurückgreift, die nur für sehr spezielle Strukturen gültig sind. Auch alle anderen Parameter der von HELENA durchgeführten K.E.P. weichen von entsprechenden Werten ab, die aus S-Parametermessungen - ebenfalls mittels K.E.P. - ermittelt werden können.
Exemplarisch wird hier nur noch die Transitfrequenz ft gezeigt. Das intrinsische Simulationsergebnis weicht stark von den K.E.P.-Werten ab, aber auch die Umrechnung auf extrinsische Werte ergibt zunächst nur eine geringe Verbesserung der Anpassung. Berücksichtigt man jedoch noch einen zusätzlichen konstanten parallelen Beitrag zur Gatekapazität (Abb. 5.12, strichpunktierte Kurve, Cp = 120 nF/cm2) analog zu einer Padkapazität, so erreicht man eine sehr gute Übereinstimmung mit den Meßergebnissen. Zur Vorhersage der Transitfrequenz - aber auch der meisten anderen Parameter - für eine unbekannte Struktur kann HELENA jedoch nicht verwendet werden.
Abbildung 5.12: Transitfrequenz simuliert mit HELENA im Vergleich zu Werten, die mittels K.E.P. aus S-Parametermessungen bestimmt wurden.