- •Практические применения контактных явлений в полупроводниках
- •5.1. Полевые транзисторы
- •5.1.1. Мдп-транзисторы с изолированным затвором
- •5.1.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом
- •5.1.3. Полевой транзистор с барьером Шоттки на основе арсенида галлия
- •5.1.4. Параметры полевых транзисторов
- •5.1.5. Частотные свойства полевых транзисторов
- •5.1.6. Влияние температуры на характеристики полевых транзисторов
- •5.1.7. Влияние подложки на характеристики полевых транзисторов
- •5.2. Физические процессы происходящие в системе с двумя p-nпереходами
- •5.2.1. Основные физические процессы в биполярных транзисторах
- •5.2.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи
- •5.2.3. Модуляция ширины базы. Эффект Эрли
- •5.2.4. Дифференциальные сопротивления переходов биполярного транзистора
- •5.2.5. Коэффициент обратной связи
- •5.2.6. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
- •5.3. Модель Молла – Эберса биполярного транзистора
- •5.3.1. Вольтамперные характеристики биполярного транзистора
5.1.3. Полевой транзистор с барьером Шоттки на основе арсенида галлия
Арсенид галлия (GaAs) относится к полупроводниковым химическим соединениям типаA3B5. Его особенности следующие.
У арсенида галлия более широкая, чем у кремния, ширина запрещенной зоны составляющая 1,43 эВ и в 5…6 раз более высокая, чем у кремния подвижность электронов, составляющая 0,8 м2/В·с. Более высокая подвижность электронов позволяет снизить уровень легирования областей затворов полевых транзисторов. Снижение барьерных емкостей различных переходов, в свою очередь, приводит к уменьшению времена рассасывания избыточной концентрации носителей заряда и уменьшению времена задержки переключения транзисторов на основеGaAsдо 0,1…1 нс.
Кроме того, полевые транзисторы на основе GaAsотличаются меньшим значением температурного коэффициента напряжения αU,T=(0,5…1,5) мВ/К (для кремния этот показатель составляет около 2 мВ/К). Поэтому они имеют лучшую температурную стабильность электрических характеристик.
К достоинствам GaAsотносится и то, что радиационная стойкость соединений А3В5в десятки раз выше, чем уSi.
Недостатком арсенида галлия, как полупроводникового материала является более сложный технологический процесс изготовления транзисторов на его основе.
Полевой транзистор с барьером Шоттки на основе арсенида галлия (ПТШ, МЕП-транзистор) изготавливается методом ионной имплантации донорной примеси элемента 6 группы (Te,Se,S) в сверхчистыйi-GaAs(ni≈2·1012м-3) с удельным сопротивлением ρ=109…1011Ом·м, выращенный в виде эпитаксиальной пленки на подложке полуизолирующегоGaAscудельным электросопротивлением 1010…1011Ом·м (рис. 5.8,а).
В подзатворную область на глубину dк=0,05…0,2 мкм проводится имплантация донорной примеси до концентрацииNd=1023м-3. Величинаdкопределяется требуемым значением контактного напряжения каналаUк:
, (5.10)
где ε≈13,1 – диэлектрическая проницаемость GaAs.
Области истока и стока легируются до концентрации донорной примеси n+=1024м-3. Невыпрямляющие (омические) контакты к областям истока и стока выполняются из сплаваAu-Ge. Барьер Шоттки создается за счет напыления на поверхность кристалла сплавовTi-W,Si-W, или металловMo,Ti,Pt,Au. Эти материалы характеризуются довольно высоким значением напряжения барьера ШотткиUбш≈0,8 В. Напряжение запирания (отсечки) ПТШ,U0, определяется из выражения
.
Знак напряжения отсечки у ПТШ может быть как положительным, так и отрицательным и определяется величиной контактного напряжения Uк.
Пример. Определить напряжение запирания (отсечки) U0 при значениях dк=0,05 мкм и dк=0,2 мкм. Принимая Uбш=0,8 В, n=1023 м-3, ε≈13,1, получаем при dк=0,05 мкм значение U0=+0,6 В. При dк=0,2 мкм получим отрицательное значение U0=-2 В. В практических случаях величина U0 для GaAs транзисторов может лежать в пределах от +0,2 В до -2,5 В.
Статические характеристики ПТШ представлены на рис. 5.9, а иб. ЕслиU0>0 (обычно +0,2 В), то приUзи=0 канал перекрыт запирающим слоем с сопротивлением ρ=108…109Ом, и транзистор называют нормально закрытым (НЗ) ПТШ. ЕслиU0<0 (обычно -0,6 В), то приUзи=0 канал является проводящим, и такой транзистор называют нормально открытым (НО) ПТШ (рис. 5.9,а). В данном случае обогащенный электронами канал получается за счет создания поверхностных состояний на границе затвор – эпитаксиальный слой.
Особенностью работы ПТШ является то, что при Uзи ≥UбшПТШ переходит в режим затворного тока, когда в цепи затвор-исток ПТШ протекает ток затвораIз, в результате чего ток стокаIсдостигает насыщения (рис. 5.9,а).
Максимальный ток стока Ic maxв этом случае определяется из выражения
≈0,4…5 мА,
где b≈(1…2) мА/В2– удельная крутизна;U0– пороговое напряжение (напряжение отсечки), взятое с соответствующим знаком.
При этом максимальное напряжение между затвором и истоком определяется из выражения
,
где Ic max+Iз=Iи– ток истока,rк=r0Wк– сопротивление области стока,r0=(4…5) кОм/мкм - удельное сопротивление канала,Wк≈(2…20) мкм – ширина канала.
Выходные (стоковые) характеристики ПТШ показаны на рис. 5.9, б. Характеристики имеют вид, обычный, для полевых транзисторов, то есть имеют линейный участок и участок насыщения. Границей между двумя областями является напряжение насыщенияUсн=0,1…0,2 В для НЗ ПТШ,Uсн=0,5…0,8 В для НО ПТШ. Значение тока насыщения стокаIснопределяется на основании выражения (5.5):
.