Насыщение скорости носителей заряда.

При небольших напряженностях электрических полей скорость дрейфа носителей заряда линейно зависит от величины напряженности поля: .

Однако, при повышении напряженности электрического поля некоторой определенной величины возникает явление насыщения скорости носителей заряда. Оценки показывают, что насыщение тока и дрейфовой скорости наступает в электрических полях порядка 10⁴ В/см, при этом дрейфовая скорость достигает v ≈ 10⁷ cм/с. При полях более указанной величины скорость дрейфа не зависит от поля. Это приводит к отступлению быстродействия МОП транзистора от правил масштабирования.

Эффект ионизации при соударениях.

Носители заряда получают энергию от электрического поля. В больших полях эта энергия может превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. Носители заряда могут передавать эту энергию электронам валентной зоны. В результате элетроны валентной зоны переходят в зону проводимости. Происходит генерация элетронно-дырочных пар – увеличение числа носителей заряда. Роль этого эффекта тем больше, чем выше напряженность электрического поля. Если коэффициент умножения числа носителей заряда становится больше определенной величины, наступает пробой. Если даже пробой не происходит, то в полупроводнике и контактирующим с ним изоляционными пленками возникают блуждающие токи, вызывающие ошибочные срабатывания устройств.

GaAs сбис на основе полевых транзисторов Шоттки.

Арсенид галлия занимает важное место в технологии создания СБИС повышенного быстродействия благодаря высокой подвижности электронов (8500 см²/(В*с) и скорости насыщения дрейфа носителей (2*10⁷ см/с). Значительная ширина запрещенной зоны арсенида галлия (1,42 эВ) позволяет создавать на его основе сверхбыстродействующие гомоструктурные интегральные транзисторы, устойчивые к воздействию повышенной температуры и это же позволяет использовать полуизолирующие GaAs подложки, имеющие высокое удельное сопротивление до 10⁸ Ом*см. Такие подложки обеспечивают низкий уровень паразитных связей между элементами интегральных схем.

Существует достаточно много изоструктурных аналогов арсенида галлия – полупроводниковых материалов, имеющих близкий к GaAs шаг кристаллической решетки, что позволяет использовать GaAs в качестве основы для создания широкого класса гетероструктурных транзисторов, обладающих уникальными характеристиками.

Кроме того, для создания гетероструктур широко используются различные твердые растворы (Al_XGa_1-XAs, Ga_XIn_1-XP, Ga_XIn_1-XAs, Al_XIn_1-XAs и др.).

Гомоструктурными называют транзисторы, изготовленные из однородного по составу полупроводника. Пути повышения быстродействия и снижения энергии переключения таких структур лежат в двух основных направлениях:

1. Сокращение размеров активных областей приборов и рабочих напряжений;

2. Использование полупроводников с высокой подвижностью и скоростью дрейфа носителей заряда.

Работа ПТШ основана на использовании контакта металл-полупроводник. Такой контакт получил название контакта Шоттки и он подобен p-n переходу и на его основе изготавливаются диоды Шоттки. Особенность в том, что работа контакта Шоттки основана на движении основных носителей заряда – электронов. в силу этого они отличаются высоким быстродействием. У контакта Шоттки также существует обедненная основными носителями заряда область, которая полностью располагается в полупроводнике, поскольку в нем концентрация носителей заряда много меньше, чем в металле. Полупроводник в обедненной области по своим электрическим свойствам близок к собственному. Эта область определяет толщину контакта. Толщина контакта Шоттки зависит от величины смещения. С увеличением обратного смещения толщина контакта, т.е. толщина обедненной области, возрастает.

Структура GaAs ПТШ изображена на рисунке. На монокристаллической полуизоли-рующей подложке GaAs с высоким удельным сопротивлением - обычно порядка 10⁸ Ом*см – формируют тонкий электропроводный слой n-типа, который называется активным слоем. Активный слой обычно формируют ионной имплантацией или эпитаксиальным выращиванием тонкой пленки n-типа. В активном слое расположены области истока, затвора и стока. Для получения хороших омических контактов в активном слое под электродами истока и стока выполняют n+-области. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки.

Принцип работы ПТШ следующий. К стоку прикладывается положительное напряжение относительно истока. К затвору - отрицательное. Поскольку затвор смещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, в область активного слоя. Канал между стоком и истоком сужается, и ток, протекающий от стока к истоку, изменяется. При увеличении обратного смещения контакта Шоттки ток в канале сильно уменьшается. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током стока.

Чем короче длина затвора, тем выше быстродействие прибора. Обычно длина затвора составляет ≥ 0,1 мкм.

Полевые транзисторы Шоттки широко используются в качестве элементной базы современных GaAs СБИС. Их преимущества по сравнению Si МДП структурами заключается в следующем:

1. Отсутствие p-n переходов между сток-истоковыми областями и областью канала, в результате чего минимальная длина канала ПТШ не ограничивается эффектом смыкания;

2. Подвижность электронов в GaAs 8500 см²/(В*с), что много больше подвижности электронов в кремнии ≈1200 см²/(В*с)

3. Обедненная область пространственного заряда управляющего перехода Шоттки локализует проводящий канал в объеме полупроводника, а не у поверхности полупроводник – диэлектрик, как в МДП транзисторах, что обеспечивает повышение подвижности носителей заряда в канале примерно в два раза.

4. Сравнительно простая структура интегральных ПТШ позволяет повысить процент выхода годных кристаллов СБИС за счет сокращения числа технологических операций и малого разброса параметров транзисторных структур по пластине.

ПТШ могут изготавливаться двух типов в зависимости от значения тока стока при нулевом напряжении на затворе.

Напряжение отсечки для транзистора типа D – отрицательно, для транзистора типа Е – положительно. Величина напряжения Uо составляет ≈ 2 В. Напряжение Uп ≈ 1 В. Формирования транзистора того или иного типа обеспечивается путем выбора толщины активного слоя n-типа и концентрацией донорной примеси. Транзисторы типа D обладают большей нагрузочной способностью.

При построении логических структур на ПШТ типа D необходимо иметь два источника питания. Это недостаток.