20.2.1.Пороговое напряжение

величина Еу растет, а высота потенциального барьера перехода исток – подложка у поверхности понижается. Поэтому инжекция электронов из

истока и образование канала будут происходить при меньшем напряжении на затворе.

Отсюда следует, что в транзисторе с коротким каналом (при К > 1) пороговое напряжение уменьшается с ростом напряжения на стоке. Зависимость Uпор = f(UСИ) тем сильнее, чем меньше длина канала (рис. 20.8). Очевидно, что при постоянном напряжении на стоке пороговое напряжение будет снижаться при уменьшении l.

Рис. 20.8. Зависимость порогового напряжения МДП-

транзистора от длины канала

20.2.2. Вольт-амперные характеристики

Первое отличие ВАХ транзистора с коротким каналом заключается в меньшем напряжении насыщения.

При длинном канале насыщение происходит вследствие перекрытия канала у стока, а

При коротком канале помимо этого насыщению способствует эффект сильного поля. Он заключается в том, что с ростом напряжения UСИ и продольной составляющей вектора напряженности электрического поля Ey подвижность электронов уменьшается, а их дрейфовая скорость увеличивается непропорционально Еу, стремясь к постоянной величине – скорости насыщения. Это замедляет рост тока при увеличении напряжения.

Так как ток пропорционален подвижности, из условия dIС/dUСИ = 0 получим выражение для напряжения и тока на участке насыщения:

400

где S = bCд0μn0/l, U0 = l vдрнac μ0.

В транзисторе с коротким каналом до наступления лавинного пробоя стокового перехода возможно смыкание обедненных слоев обоих п-р переходов, что вызывает рост тока стока, который в этом случае складывается из канального тока и тока смыкания. Последний, в отличие от канального тока, протекает на некотором удалении от поверхности. Затвор сохраняет управление током смыкания, т.е. транзистор с коротким каналом на участке 3 работоспособен. Однако его крутизна уменьшается.

Ток смыкания зависит от напряжения по степенному закону, который можно аппроксимировать формулой:

где n – параметр, лежащий в диапазоне 1...2; Uсм0 – напряжение смыкания при Uзи = 0; m – параметр, учитывающий влияние напряжения на затворе на напряжение смыкания.

По мере снижения длины канала напряжение смыкания уменьшается по закону:

При очень коротком канале смыкание наступает раньше, чем проявляется эффект сильного поля, и участок насыщения на ВАХ исчезает. Хотя транзистор и сохраняет работоспособность, но у него снижаются крутизна и внутреннее сопротивление. Применение таких транзисторов

возможно в цифровых микросхемах и практически недопустимо в аналоговых.

20.3.Полевые транзисторы с управляющим переходом металл–полупроводник

Полевые транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник (сокр. МЕП, ПТШ или в зарубежной литературе MESFET – metal-semiconductor field effect transistor) являются основными активными элементами арсенид-галлиевых микросхем.

Главная цель их разработки состояла в повышении быстродействия. Цифровые арсенид-галлиевые микросхемы относятся к классу сверхскоростных, а аналоговые, как правило, предназначены для работы в диапазоне сверхвысоких частот.

401

При разработке полевых транзисторов с управляющим переходом металл-полупроводник и микросхем на их основе используются следующие преимущества арсенида галлия по сравнению с кремнием:

∙более высокие подвижность электронов в слабых электрических полях и скорость насыщения в сильных полях;

∙большая ширина запрещенной зоны и, как следствие, значительно

более высокое удельное сопротивление нелегированного арсенида галлия, позволяющее создавать полуизолирующие подложки микросхемы.

Из основных электрофизических параметров арсенида галлия и кремния при Т = 300 К, приведённых в таблице 20.1, видно, что арсенид галлия уступает кремнию по ряду параметров, важных для создания транзисторов и микросхем. Так, слишком высокая плотность поверхностных состояний в МДП-структурах на арсениде галлия пока не позволяет создавать на его основе высококачественные МДП-транзисторы. Низкая подвижность дырок и

малое время жизни неосновных носителей затрудняют разработку биполярных транзисторов.

По этим причинам наиболее оптимальным активным элементом,

позволяющим реализовать в микросхемах преимущества арсенида галлия по сравнению с кремнием, является полевой транзистор с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзистор).

Простейшая структура МЕП-транзистора показана на рис. 20.9. Транзистор создают на подложке 1 из нелегированного арсенида галлия.

Нелегированный арсенид галлия имеет слабо выраженную проводимость р-типа. Для ее уменьшения при выращивании монокристаллов иногда вводят в небольших количествах атомы хрома, компенсирующие действие

402