1.4. Полевые транзисторы с затвором Шотки

1.4.1.Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ) принадлежит к классу полевых транзисторов с барьерным переходом. Простейшая структура ПТШ представлена на рисунке 1.15. На высокоомной (полуизолирующей) i^*- GaAs подложке I (10⁷…10⁹ Ом^.см) методами эпитаксии или ионного легирования сформирован активный слой n- GaAs толщиной а . Электроды стока (2) и истока (2) имеют омический контакт с активным n-слоем. Электрод затвора 3 образует с n-слоем контакт типа Шоттки, под которым формируется обедненная электронная область пространственного заряда (ОПЗ) толщиной Xd. В результате сток и исток соединены между собой проводящим электрически нейтральным каналом 4 толщиной а - xd. При изменении потенциала затвора изменяется толщина ОПЗ и, следовательно, толщина канала. Если между стоком и истоком приложено напряжение

U_cи=U_c-U_и,

то изменение напряжения между затвором и истоком

U_зи=U_з-U_и

приводит к изменению тока стока I_c вследствие изменения проводимости канал Принципы действия ПТШ и МОП-транзистора весьма схожи: в обоих приборах напряжение сток-исток модулирует проводимость канала. Однако имеются и существенные различия а.

Рисунок 1.15 - Простейшая структура ПТШ

В n-канальном МОП-транзисторе канал представляет собой приповерхностную область полупроводника, легированную акцепторами и обогащенную электронами вследствие эффекта поля. Толщина канала имеет порядок дебаевской длины экранирования, а модуляция его проводимости напряжением U_зи осуществляется за счет изменения концентрации электронов. Емкость затвор-канал определяется толщиной подзатворного диэлектрика и не зависит от напряжения между затвором и каналом.

В ПТШ канал представляет собой электронейтральную область, в которой положительный заряд доноров компенсирован зарядом основных носителей (электронов). Модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения толщины канала, которая обычно много больше дебаевской длины экранирования. Канал отделен от поверхности слоем ОПЗ, толщина которого зависит от напряжения между затвором и каналом и определяет барьерную емкость затвор – канал. Как правило, толщина ОПЗ в ПТШ больше толщины подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторе. Поэтому управляющее действие затвора проявляется несколько слабее, что снижает крутизну ВАХ. Однако во столько же раз снижается емкость затвор – канал. Кроме этого, в канале ПТШ подвижность электронов не подвержена действию поверхностных дефектов, как это имеет место в МОП-транзисторе.

Несмотря на отмеченные различия, ВАХ ПТШ и МОП-транзистора качественно весьма схожи. Основное различие связано с тем, что в МОП-транзисторе затвор электрически изолирован от канала диэлектриком и ток затвора практически равен нулю. В ПТШ переход затвор – канал имеет диодную характеристику и при положительных напряжениях U_зи ток затвора может быть достаточно большим.

1.4.2. Пороговое напряжение

При U_си = 0 (I_c = I_и = 0) потенциалы всех точек канала одинаковы, и 1 Х_dn=Х_dc . Толщина ОПЗ определяется напряжением U_зи

X_d=[2₀(_Б-U_зи)/qN_d]^1/2 (1.19)

где N_d - концентрация доноров в однородно легированном активном слое; ϕ_Б – контактная разность потенциалов между затвором и активным слоем.

Пороговое напряжение U_пор. соответствует напряжению затвор – исток, при котором толщина канала обращается в нуль, т.е. a=Xd . Таким образом, следует:

U_пор.=

где

(1.20)

напряжение перекрытия канала, численно равное пороговому напряжению при

Величина барьерного потенциала слабо зависит от материала затвора, так как определяется в основном поверхностными состояниями, и составляет обычно около 0,8 В. Как будет показано ниже, крутизна ВАХ ПТШ пропорциональна произведению подвижности электронов в канале на концентрацию доноров. Для увеличения крутизны желательно повысить концентрацию доноров, однако при этом снижается подвижность, уменьшается толщина ОПЗ и возрастает емкость затвор – канал. Оптимальное значение лежит в диапазоне (1…5)^.10¹⁷см^-3. При фиксированных значениях ивеличинаU_пор. соответствует толщине активного слоя

При , пороговое напряжение отрицательно, и в равновесном состоянииканал существует. Такие ПТШ называютсянормально открытыми (встроенный канал). При пороговое напряжение положительно, и для образования канала необходимо приложить напряжениеТакие ПТШ называютсянормально закрытыми (индуцированный канал). Таким образом, толщина активного слоя является главным параметром, определяющим величину порогового напряжения.