Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

где Аd(L) – толщина обедненного слоя у стоковой границы затвора, которая равна

Рис. 7.13. Выходные характеристики, полученные в результате решения уравнения (7.87)

В безразмерных единицах iнас Iнас g0U р0 уравнение (7.92) принимает вид

В предельном случае, когда (что соответствует приборам с длинным затвором и малым напряжением перекрытия) уравнение (7.94) сводится к соответствующему выражению модели Шокли (см. уравнение (7.54)). В противоположном случае, когда 1 (короткий затвор или большое напряжение перекрытия), имеем

Уравнение (7.95) хорошо согласуется с уравнением, используемым при расчете полевого транзистора с управляющим p–n-переходом по модели, заложенной в программу PSPICE:

Здесь Uт Ubi UP0 . И если параметр , характеризующий усиление, выбрать равным

С помощью уравнений (7.97) и (7.98) можно определить зависимость от напряжений перекрытия. Уравнение (7.97) удобно использовать, если толщина активного слоя А остается постоянной, а напряжение перекрытия UР0 изменяется вследствие изменения ND. Уравнение (7.98) используется в случае, когда концентрация доноров поддерживается постоянной, а напряжение перекрытия изменяется в результате изменения А. Зависимость параметра от напряжения перекрытия в этих двух случаях иллюстрируется на рис. 7.14. Наиболее выраженная особенность приведенных зависимостей – это существенное увеличение крутизны при низком значении напряжения перекрытия для полевого транзистора с субмикронным затвором.

Рис. 7.14. Зависимость от напряжений перекрытия UP0

Согласно уравнениям (7.97) и (7.98), значения (и, следовательно, крутизны при том же напряжении на затворе) увеличиваются при уменьшении толщины прибора и увеличении уровня легирования, поэтому полевые транзисторы, изготовленные на тонких сильнолегированных слоях, имеют более высокое быстродействие.

Уравнение (7.98) выявляет роль подвижности носителей в слабом поле, которая становится особенно важной в приборах с низким напряжением перекрытия. Происходит существенное улучшение параметров в приборах с низким напряжением перекрытия и высокой подвижностью носителей в слабом поле, характерные для арсенида галлия

(до 4500 см2 В с в сильнолегированном активном слое), даже для полевых транзисторов с коротким каналом. Увеличение подвижности до 8000 см2 В с , что возможно в приборах с селективным легированием, способствует получению еще лучших параметров. Однако дальнейшее увеличение подвижности, например до 20 000 см2(В с)

(как в структурах с селективным легированием при температуре жидкого азота), уже не дает существенного выигрыша. Улучшение характеристик полевых транзисторов на основе структур с селективным легированием при температуре жидкого азота объясняется в большей степени возрастанием скорости насыщения носителей, чем увеличением подвижности в слабом поле 16 .

Как правило, принято рассматривать две различные аналитические модели полевых транзисторов на основе арсенида галлия. В первой, так называемой «квадратичной модели», предполагается, что квадратичная зависимость тока насыщения от величины Uз – Uт (см. уравнение (7.96)) остается относительно справедливой и при напряжении выше напряжения насыщения. Эта модель достаточно точно описывает приборы с низким напряжением перекрытия ( 2 В для полевых транзисторов на арсенида галлия с затвором длиной 1 мкм), а для приборов с более высоким напряжением перекрытия дает правильное качественное, хотя и не очень точное описание.

Во второй модели предполагается, что величина Lнас близка к L уже при напряжении сток – исток, близком к напряжению насыщения Uнас (см. уравнение (7.91)), т.е. скорость электронов насыщена почти во всем канале. Эту модель называют «моделью полного насыщения скорости». Она более точна для приборов с высоким напряжением пере-

Квадратичная модель. Результаты экспериментальных и теоретических исследований свидетельствуют о том, что квадратичный закон приближенно справедлив для полевых транзисторов на основе арсенида галлия с низким напряжением перекрытия.

Тогда параметр можно выбрать следующим образом:

ления можно ввести в «квадратичную модель» исходя из того, что напряжение затвор – исток равно

Подставив это уравнение в выражение (7.96) и решив последнее относительно Iнас, получим

Чтобы модель была пригодной для машинных расчетов, необходимы вольт-амперные характеристики в широком интервале напряжений сток – исток, а не только вблизи точки насыщения. С этой целью можно воспользоваться эмпирической зависимостью

где Iнас определяется выражением (7.102), а параметр выбирается так, чтобы при Uс-и 0 уравнение (7.103) обращалось в соответствующее выражение модели Шокли:

затвора; Rи и Rс – сопротивления частей эпитаксиального n-слоя на участках исток – затвор и затвор – сток, которые не зависят от напряжения Uз-и и включают в себя сопротивление омических контактов истока и стока; Rс-и – дифференциальное выходное сопротивление.

Из выводов ПТШ на эквивалентной схеме рассматривается лишь индуктивность Lи общего электрода истока, в наибольшей степени влияющая на его усиление. Полагая Rз ≈ Rи ≈ Rс ≈ Lи ≈ 0, получим схему для расчетов на согласование транзистора.

Частотные свойства. Полевой транзистор в СВЧ-диапазоне, как и биполярный транзистор, характеризуется частотами fmax и fт:

где Сз-и S lз Vнас половина времени пролета электронов через канал со скоростью насыщения Vнас .

Емкость Сз-и определяется как

Cз-и eNкWзlзa , 2UP

где

UP eNk a

2 0

– напряжение прокола канала.

Скорость электронов в арсениде галлия имеет предел Vнас = 1,4·105 м/с,

поэтому усилия разработчиков направлены на создание ПТШ с затворами субмикронных размеров (lз < 1 мкм). Большое влияние на fmax оказывает при этом возрастание Rз, для его снижения металлизацию

также шумы, связанные в основном с поверхностным состоянием полупроводника. Поэтому особое внимание уделяется совершенствованию технологии изготовления ПТШ с целью уменьшения естественных дефектов в полупроводнике и на поверхности. Применение поликристаллической пленки из арсенида галлия снижает шумы, улучшает стабильность параметров и надежность транзистора. Поскольку в ПТШ на арсениде галлия преобладают тепловые шумы, очень эффективным оказывается охлаждение приборов, что позволяет снизить шум в 3–6 раз, а это дополнительно приводит к увеличению полосы и усиления, так как у арсенида галлия при охлаждении возрастают подвижность электронов и их дрейфовая скорость Vдр.

Мощные полевые транзисторы. На частотах ниже 3 ГГц в основ-

ном используются мощные кремниевые биполярные транзисторы. На более высоких частотах явно выигрывают ПТШ. Если их сравнивать по коэффициенту качества (произведению мощности на квадрат часто-

ты) K Pвых fmax2 const, то благодаря вдвое большей скорости элек-

тронов приборы на арсениде галлия могут быть вчетверо мощнее кремниевых ПТШ на одной и той же частоте. Если же учесть, что и на входе мощность во столько же раз меньше, во сколько подвижность электронов в канале у GaAs выше, т.е. в три раза, то коэффициент качества у ПТШ на арсениде галлия теоретически может быть примерно в 12 раз выше, чем у аналогичного прибора на кремнии. Эффективный способ получения больших Рвых есть увеличение суммарной ширины канала W , т.е. на кристалле делают несколько затворов. Причем, что-

бы не снизить усиление из-за расфазировки и потерь в затворах, их (штыри) делают в ширину не более 1 16 длины волны. Это мощное

ограничение суммарной ширины и, как следствие, выходной мощности. Наиболее сложен отвод тепла в мощных ПТШ на арсениде галлия, теплопроводность которого в три раза хуже, чем кремния. Для улучшения охлаждения ПТШ толщину уменьшают до 50 мкм, что сопряжено с опасностью рассыпания подложки в процессе производства.

Перечисленные трудности решены в новой конструкции транзистора (рис. 7.18). Главная особенность ее в том, что подложка снизу покрыта толстым слоем золота, выполняющим роль теплоотвода, соединенным во многих точках с металлизацией контактных площадок истока через малые отверстия в подложке, а не через край кристалла, как делалось ранее. Это обеспечивает очень малую индуктивность ис-