Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / Часть 6 / Часть 6 / 1-3
.doc
Часть 6. Полевые транзисторы с барьерным переходом
1. Принцип действия и разновидности
Принцип действия полевых транзисторов с барьерным переходом (ПТБП) основан на том, что толщина резистивного активного слоя полупроводника (канала) между двумя омическими контактами (стока и истока) модулируется областью пространственного заряда (ОПЗ). Толщина ОПЗ управляется потенциалом барьерного электрода (затвора).
По типу барьерного перехода ПТБП делятся на:
-
полевые транзисторы с управляющим р-п переходом;
-
полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).
У
стройство
полевого транзистора с
управляющим р-п
переходом:
В ПТШ вместо p+- затвора используется металлический затвор, образующий с материалом канала барьерный контакт Шоттки.
Различие между МДПТ и ПТБП:
В МДП транзисторах модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения поверхностной плотности носителей канала.
В ПТБП модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения толщины канала. Концентрация носителей в канале постоянна и равна концентрации примеси.
Преимущество перед МДП транзисторами: канал находится в толще полупроводника — нет влияния поверхности на характеристики канала.
Недостаток:
при положительном напряжении
барьерный переход затвор-исток
открывается, и в цепи затвора протекает
ток
(в МДПТ — изолированный затвор).
В ПТ с управляющим р-п
переходом допустимые напряжения
выше (больше контактная разность
потенциалов). Но при
в канал инжектируются неосновные
носители из затвора — диффузионная
емкость.
2. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом.
2
.1.
Модель идеализированного транзистора
Верхняя половина транзистора.
Допущения:
1).
. 2).
В канале
.
3). Канал
электронейтрален (
. 4).
В ОПЗ
..
5). В канале
(приближение 6).
(анализируется
плавного канала). “внутренний транзистор).
7). В канале
. 8).
Вывод ВАХ:
. (2.1.1)
, (2.1.2)
где
— сопротивление канала при
отсутствии ОПЗ.
(2.1.2)
(2.1.1): 
; 
.
Отсюда: 
, (2.1.3)
где 
— контактная разность
потенциалов р-п
перехода затвор-канал,
(2.1.4)
— напряжение перекрытия канала.
При
:
,
и из (3): 
.
(2.1.5)
Из (2.1.4) следует, что канал исчезает
при
,
где
— (2.1.6)
пороговое напряжение.
Из
(2.1.3): 
. (2.1.7) Подстановка
(2.1.7) и (2.1.2) в (2.1.1) дает:
. (2.1.8)
Интегрируем уравнение (2.1.8) по всей длине канала:
;
. (2.1.9) Из
(2.1.3):
;
(2.1.10а)
.
(2.1.10б)
Уравнения (2.1.9) и (2.1.10а,б) — выходные ВАХ. Они справедливы при
Крутая
область ВАХ
),
(т.е.
).
В области отсечки
: 
.
В пологой области
:
,
и
. (2.1.11)
Уравнения ВАХ сложнее, чем для МДПТ, т.к. вместо линейной емкости диэлектрика ( в МДПТ) здесь нелинейная емкость р-п перехода (ОПЗ).
Из (2.1.6) и
(2.1.4) следует, что
(транзистор со встроенным каналом, или
нормально открытый),
если
,
и
(транзистор с индуцированным каналом,
или нормально закрытый),
если
.
При С = 0,8 В и NC = 1017 см-3 пороговое напряжение VT > 0 при a < 0,1 мкм. Ток затвора IG 0 при VGS < VGSm С – 0,2 B = 0,6 В.
2.2. Эквивалентная схема и особенности ВАХ
d
,
s,
g
— “внутренние”
электроды стока, истока, затвора.
Ток Id (Vgs, Vds)
описывается уравнениями (2.1.9) – (2.1.11).
RD,S — сопротивления пассивных областей стока, истока; RG — сопротивление затвора.
Емкости Cgs и Cgd включают диффузионные емкости диодов Dgs и Dgd.
Отличия от ВАХ МДПТ:
-
Затворный ток при VGS < VGSm 0,6 В.
2. Выходные ВАХ при VGS > VGSm не проходят через начало координат (при VDS = 0: ID = - IG /2 < 0).
3. При VGS > VGSm крутизна резко снижается, т.к. приращение VGS выделяется не на переходе затвор-исток, а на RS.
3. Полевой транзистор с затвором Шоттки на основе GaAs
3.1. Особенности GaAs как материала микроэлеткроники
GaAs — наиболее изученный полупроводник группы А3В5. Применяются также другие материалы этой группы – GaAs , AlAs, InP, и некоторые другие.
Основные преимущества GaAs перед Si:
1. Высокая
подвижность электронов (при
К
см2/Вс — в 7
раз выше, чем в Si). Следствие
– сверхвысокое быстродействие.
2. Широкая
запрещенная зона (1,43 эВ). Следствие
— высокое удельное сопротивление
нелегированного (или компенсированного)
материала подложки (
Омсм) – полуизолирующая
подложка, малые емкости на подложку.
3. Возможность превращения п- GaAs в полуизолятор под действием бомбардировки легкими ионами (Н+, В+). Следствие — простота межэлементной изоляции.
4. Прямые межзонные переходы (энергетические экстремумы в зоне проводимости и в валентной зоне — в центре зоны Бриллюэна). Следствие —излучательный механизм рекомбинации, возможность создания оптоэлектронных приборов (включая лазеры).
5. Отрицательная дифференциальная подвижность в сильных электрических полях — эффект Ганна.
6. Повышенная радиационная стойкость.
Недостатки GaAs:
1. Высокая стоимость.
2. Отсутствие стабильного собственного окисла.
3. Низкая подвижность дырок (при
К
см2/Вс).
4. Низкая теплопроводность (в 2,5 раза хуже, чем у Si).
5. Хрупкость.
3.2. Устройство ПТШ, пороговое напряжение
Устройство полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ, MESFET – Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor) аналогично устройству ПТ с управляющим р-п переходом, но вместо р-п перехода используется затвор в виде контакта Шоттки.
Преимущества:
1) нет инжекции дырок в канал при
;
2) длину канала можно сделать очень малой
(менее 0,2 мкм).
Типовая структура ПТШ:
Нужная толщина активного слоя а обеспечивается подтравливанием поверхностного слоя.
В одной ИМС могут быть созданы НО и НЗ ПТШ.
Активный слой и контактные n+-области создаются методами эпитаксии или ионной имплантации (Se).
Пороговое напряжение рассчитывается так же, как для ПТ с управляющим р-п переходом:
, (3.2.1)
где 
— (3.2.2)
напряжение перекрытия канала.
3.3. Особенности ПТШ на основе GaAs
Ввиду высокой подвижности электронов
насыщение дрейфовой скорости электронов
в канале происходит при полях
кВ/см (в Si — при
кВ/см). Длина канала мала, поэтому эффект
проявляется уже при малых напряжениях
Если длина канала
мкм, то даже при равномерном распределении
продольного поля в канале его пороговое
значение
достигается при
В.
Таким образом, ПТШ на основе GaAs практически всегда работают в режиме насыщения дрейфовой скорости электронов в канале.
Пусть ТПШ
работает на границе крутой
и пологой областей ВАХ, когда
продольное поле составляет
на границе со стоком (
,
,
).
Для крутой области справедливо соотношение (2.1.9) раздела 2.1 (идеальная модель):
,
(3.3.1)
В плоскости
электроны имеют скорость
,
и
,
т.е.
(3.3.2) 
.
Соотношения
(3.3.1) и (3.3.2), где
,
определяют зависимость
(если исключить из них параметр
).
Приближенное решение:
.
;
Эквивалентная схема ПТШ такая же, как ПТ с управляющим р-п переходом, но емкости Cgs и Cgd не включают диффузионные емкости диодов Dgs и Dgd.
Основные преимущества ПТШ:
1). Очень
высокое быстродействие (
ГГц).
2). Высокая
удельная крутизна ВАХ (
мСм/мм).
3). Малый шум в диапазоне СВЧ.
4). Широкий температурный диапазон (до 200оС).
Основные области применения на СВЧ:
Малошумящие усилители, генераторы СВЧ мощности, смесители.