1.3.2. Общий подход к выбору конструкции и проектированию топологии структуры мощного кремниевого свч моп-транзистора

В зависимости от назначения мощные СВЧ МОП-транзисторы характеризуются диапазоном рабочих частот, выходной мощностью Р₁, коэффициентом усиления по мощности K_ур, коэффициентом полезного действия , уровнем нелинейных искажений и собственных шумов и т.д. Для генераторных транзисторов основным качественным критерием является уровень выходной мощности, отдаваемой прибором в нагрузку на определенной частоте или в диапазоне частот при максимально возможныхK_ур и . Поэтому выбор конструкции и расчет топологии структуры мощного генераторного МОП-транзистора необходимо производить, исходя прежде всего из требуемого значенияР₁. Выходная мощность Р₁ ограничена значениями максимально допустимых напряжений исток – сток U_{CИ макс}, сток – затвор U_{CЗ макс}, максимально допустимой мощностью рассеяния Р_макс и максимально допустимым током стока I_макс. Без учета потерь мощности на объемном сопротивлении стока R_c выходная мощность МОП-транзистора в критическом режиме класса В связана с I_макс и U_{CИ макс} следующим известным соотношением:

(U_{СИ макс} – U_ост)/8 (1.18)

где U_ост=R_{си отк} – остаточное напряжение стока; _макс – ток стока при U_зи=U_{ЗИ макс} и U_си=U_ост.

Максимально допустимое напряжение U_{ЗИ макс} = 20...25 В, как правило, не является ограничивающим фактором для выходной мощности СВЧ МОП-транзисторов. Оно может быть только превышено при работе транзистора с малыми углами отсечки (0<70^о).

Требуемое значение U_{СИ макс} определяется напряжением источника питания цепи стока Е_с, которое для большинства СВЧ-усилителей не превышает 28 В. В недонапряженном и критическом режимах работы амплитуда напряжения на нагрузке примерно равна 2 Е_с, поэтому U_{СИ макс} и соответственно пробивное напряжение стока U_{СИ проб} с учетом необходимых запасов должно быть U_{СИ проб} ≥ U_{СИ макс} ≈ (1,1...1,2) (2Е_с + U_ост)=65...75 В.

Более высокие значения U_{СИ проб} для мощных СВЧ МОП-транзисторов обычно нецелесообразны, так как при этом возрастают U_ост и R_{си отк}, что приводит к уменьшению K_{у р} и , особенно заметному на высоких частотах. Поэтому при разработке мощного СВЧ МОП-транзистора большое значение имеет правильный выбор исходного материала подложки.

Для наиболее распространенных в настоящее время конструкций МОП-транзисторов с вертикальным n-каналом, изготовленных на кремниевых n^—-n⁺-подложках с однородным профилем легирования n^—-слоя, оптимальный уровень легирования N_д, толщина (расстояние между металлургической границей стоковогоp-n-перехода и нижним высоколегированным n⁺-слоем подложки) и удельное сопротивление эпитаксиальногоn^—-слоя для заданной величины U_{СИ проб} могут быть определены как [38, 80]:

N_д = 60^1,33 , (1.19)

=(1.20)

=. (1.21)

Принимая во внимание вид краевой защиты стокового p-n перехода (наличие полевой обкладки, охранного кольца), конфигурацию и радиус кривизны его периферийных областей, а также реальный разброс толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев, при выбросе подложки необходимо иметь запас 15...20% по отношению к значениям параметров, рассчитанным по (11.19) – (1.21).

При проектировании топологии структуры СВЧ МОП-транзисторов необходимо знать значение и суммарную ширину каналаZ, требуемые для реализации заданного уровня Р₁, а также минимальные значения длины канала l_k, толщины изолятора затвора и концентрации акцепторовN_а в р-канальной области, обеспечивающие надежную работу прибора при требуемых значениях U_{СИ макс} и U_{ЗИ макс}.

Ток стока при известных значениях Р₁ и U_{СИ макс} в соответствии с (1.18) и учетом того, что U_ост=(0,1...0,2) U_{СИ макс,} равен

I_макс=8Р₁/0,90...0,80)U_{СИ макс}=(8,9...10)Р₁/U_{СИ макс}. (1.22)

Толщина изолятора затвора обычно выбирается из тех соображений, чтобы приU_{ЗИ макс} не была превышена максимально допустимая для термической двуокиси кремния напряженность поля E_проб=(2...6)^.10⁶В/см:

( U_{ЗИ макс}– U_пор.), (1.23)

где U_пор – пороговое напряжение (напряжение открывания транзистора. Используя типичные значения U_пор=1...2 В, U_{ЗИ макс} = 20...30 В, E_проб=2 ^. 10⁶ В/см, из (1.23) получаем = 0,08...0,15 мкм.

Указанное значение U_пор является оптимальным для СВЧ МОП-транзисторов, работающих в режиме обогащения, так как при U_пор > 2 В заметно уменьшается эффективное управляющее напряжение затвора (U_{з эф}=U_зи–U_пор), а минимальное значение U_пор ≥ 1 В гарантирует неизменность закрытого состояния транзистора при U_ЗИ = 0 и воздействии повышенных температур вплоть до + 125^оС, при которых напряжение U_пор заметно убывает. Это условие накладывает ограничения на концентрацию акцепторов в р-канальной области МОП-транзисторов.

Пороговое напряжение U_пор связано с толщиной окисла и концентрацией акцепторовN_a следующим соотношением:

U_пор=, (1.24)

где – плотность положительного ионного заряда в затворном слоеSiO₂; =12 – относительная диэлектрическая постоянная термического окислаSiO₂; n_i = 1,4 ^. 10¹⁰см^-3 (при Т = 300 К) – концентрация носителей в собственном кремнии; – разность работ выхода металла затвора и полупроводникар-типа. Подставляя в (1.24) значения U_пор=1...2 В, (2...5) х 10^-8Кл/см²,

=(1...1,5)^.10^-5см, =-0,9 В (для затвора из алюминия), получаемN_a = (2…6)^.10¹⁶см^-3.

Минимальная длина канала l_k должна быть выбрана такой, чтобы при U_{CИ макс} = U_{CИ проб} исключить вероятность сквозного обеднения канала пространственным зарядом стокового перехода. Расчет l_k ( U_{CИ проб}) можно проводить по формуле для ширины резко асимметричного n⁺р-перехода:

(1.25)

Из (1.25) следует, что при U_{CИ макс} = 60 В и N_a = 6 ^. 10¹⁶см^-3, l_k = 1,1 ^. 10^-4 см. При таких значениях l_k электроны движутся в канале с дрейфовой скоростью насыщения V_S=(4,5...6)^.10⁶ см/с, которая достигается при напряженностях продольного поля Е = (2...3) ^. 10⁴ В/см, т.е. при относительно небольших напряжениях U_си = El_k = (1…1,5) ^. 10^-4 х (2...3) ^. 10⁴ = 2...4,5 В.

Влияние поперечного и продольного полей на подвижность носителей в канале обуславливает линейный характер зависимости I_c(U_зи) мощных СВЧ МОП-транзисторов в широком диапазоне напряжений U_зи , которую на крутом участке выходных характеристик можно приближенно описать соотношением

, (1.26)

где – подвижность электронов в канале в слабом поле ();= 0,0534 В^-1 – эмпирический коэффициент, характеризующий уменьшение подвижности под действием поперечного поля затвора (U_зи – U_пор)/, а член [1+U_си/l_kU_cи] отражает зависимость от продольного поля, созданного напряжением ; – коэффициент, характеризующий влияние подложкир-типа на ток стока:

(1.27)

При заданном напряжении U_зи ток стока достигает своего максимального значения при напряжении насыщения

х

х (1.28)

Приравнивая выражения (1.22) и (1.26) (при U_си = U_{си нас}), получаем формулу для расчета минимальной ширины канала W при заданных значениях Р₁, U_{CИ макс}, U_{ЗИ макс} – U_пор = 20 В, = 600 см²/В^.с:

(1.29)