ФОМЭ / лекции по ФОМЭ / ПТШ-конспект

5.1.3. Полевой транзистор с барьером Шоттки на основе арсенида галлия

Арсенид галлия (GaAs) относится к полупроводниковым химическим соединениям типа A₃B₅. 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 основе GaAs до 0,1…1 нс.

Кроме того, полевые транзисторы на основе GaAs отличаются меньшим значением температурного коэффициента напряжения α_U,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 GaAs относится и то, что радиационная стойкость соединений А³В⁵ в десятки раз выше, чем у Si.

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 сверхчистый i-GaAs (n_i≈2·10¹² м^-3) с удельным сопротивлением ρ=10⁹…10¹¹ Ом·м, выращенный в виде эпитаксиальной пленки на подложке полуизолирующего GaAs c удельным электросопротивлением 10¹⁰…10¹¹ Ом·м (рис. 5.8, а).

В подзатворную область на глубину d_к=0,05…0,2 мкм проводится имплантация донорной примеси до концентрации n=10²³ м^-3. Величина d_к определяется требуемым значением контактного напряжения канала U_зап:

, (5.10)

где ε≈13,1 – диэлектрическая проницаемость GaAs

.

Области истока и стока легируются до концентрации донорной примеси n⁺=10²⁴ м^-3. Невыпрямляющие (омические) контакты к областям истока и стока выполняются из сплава Au-Ge. Барьер Шоттки создается за счет напыления на поверхность кристалла сплавов Ti-W, Si-W, или металлов Mo, Ti, Pt, Au. Эти материалы характеризуются довольно высоким значением напряжения барьера Шоттки U_бш≈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 U_зап.

Пример. Определить напряжение запирания (отсечки) U₀ при значениях d_к=0,05 мкм и d_к=0,2 мкм. Принимая U_бш=0,8 В, n=10²³ м^-3, ε≈13,1, получаем при d_к=0,05 мкм значение U₀=+0,6 В. При d_к=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 и б. Если U₀>0 (обычно +0,2 В), то при U_зи=0 канал перекрыт запирающим слоем с сопротивлением ρ=10⁸…10⁹ Ом, и транзистор называют нормально закрытым (НЗ) ПТШ. Если U₀<0 (обычно -0,6 В), то при U_зи=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 U_зи ≥U_бш ПТШ переходит в режим затворного тока, когда в цепи затвор-исток ПТШ протекает ток затвора I_з (рис. 5.9, а).

Максимальный ток стока I_{c max} в 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 I_{c max}+I_з=I_и – ток истока, r_к=r₀W_к – сопротивление области стока, r₀=(4…5) кОм/мкм - удельное сопротивление канала, W_к ≈(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 насыщения U_сн=0,1…0,2 В для НЗ ПТШ, U_сн=0,5…0,8 В для НО ПТШ. Значение тока насыщения стока I_сн определяется на основании выражения (5.5):