MESFET

Лабораторная работа

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

1 Устройство

Полевые транзисторы СВЧ являются тонкоплёночными приборами. Их изготавливают, как правило, из арсенида галлия с электронной проводимостью. Наибольшее распространение получили приборы с затвором Шоттки. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура ПТШ

Эпитаксиальная плёнка 1 в этих приборах наращивается на поверхность полупроводниковой подложки 2 е низкой концентрацией примесей (удельное сопротивление высокоомной подложки более 10-7Ом). Толщина плёнки составляет несколько десятых долей микрометра. В верхний слой плёнки вплавляют два омических контакта – исток 3, сток 5, а между ними третий электрод – затвор 4, образующий барьер Шоттки на границе металл–полупроводник.

2 Принцип работы

Под действием напряжения, приложенного к промежутку сток-исток, в эпитаксиальном слое 1 транзистора возникает канал 6, поле в котором ускоряет носители при их движении от истока к стоку. Управление потоком носителей осуществляется посредством модуляции ширины канала b в поперечном направлении, возникающей при изменении толщины слоя объёмного заряда в области затвора (переход металл-полупроводник) под действием напряжения сток − затвор. Поскольку переход в полевом транзисторе смещен в обратном направлении, управление потоком носителей достигается в нём в первом приближении без протекания постоянного тока через этот переход.

Носителями зарядов в полевом транзисторе являются заряды одного знака – электроны. В этом смысле полевые транзисторы (в отличие от биполярных) являются униполярными. Соответственно механизм проводимости в них управляется силами электрического происхождения (дрейфом), а не диффузией. В качестве затвора в рассматриваемых полевых транзисторах применяется, как уже упоминалось, контакт металл-полупроводник.

Затвор 4 используется для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании тока через канал возникает падение напряжения на распределённом сопротивлении канала вдоль его длины. Поэтому часть барьера Шоттки, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещённой в обратном направлении, чем остальная часть транзистора. Это приводит к несимметричному расширению слоя обеднённого заряда 7 под затвором. Область обеднённого слоя может расширяться до высокоомной подложки 2 и перекрывать проводящий канал b. При этом ток в цепи исток-сток практически перестает зависеть от напряжения стока; наступает рёжим насыщения тока исток − сток на рабочем участке характеристики транзистора.

Повышение обратного смещения на электроде затвора вызывает увеличение ширины обеднённой области и, тем самым, сужение n-канала. При этом возрастает сопротивление n-канала и уменьшается ток стока. Таким образом, осуществляется модуляция электронного потока в n-канале с помощью управляющего напряжения.

3. Геометрия (топология) прибора

Варианты топологии металлизации малошумящих ПТШ из GaAs изображены на рисунке 2. ПТШ с затвором L=1мкм (рисунок 2,а) имеет одну контактную площадку затвора и два зубца затвора шириной 150мкм. Площадка расположена на полуизолирующем GаАs, поэтому паразитная емкость затвора незначительна. Топологическая схема транзистора гребенчатого типа показа на рисунке 2,в. Поскольку высокочастотная выходная мощность на 1мм ширины затвора ограничена, то общая ширина затвора мощного ПТШ должна быть как можно большей. Поэтому для оптимального использования площадки кристалла топологию прибора следует делать встречно-штыревой, как показано на рисунке 2,б.

а) б)

Рисунок 2 – Топология ПТШа – двухзубцовый; б – гребенчатый;

4. Характеристики транзистора

Типичные выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) маломощного ПТШ представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Выходные ВАХ ПТШ

На выходных характеристиках можно выделить три области:

1. Линейная область существует при малых значениях напряжения, когда прибор еще не достигает насыщения. Данный режим является важным в случае применения транзисторов в смесителях и других нелинейных устройствах. Линейная область характеризуется линейной зависимостью между током и напряжением (т.е. закона Ома). Когда Uси достигает Uси нас, канал у конца затвора со стороны стока сужается, т.е. практически полностью смыкается, так что дальнейшее увеличение тока не происходит (идеальный случай).

2. Когда канал смыкается, транзистор переходит в область насыщения, где ток стока практически не зависит от Uзи. В приборах с коротким каналом, таких как арсенидгаллиевый ПТШ, возникает иной механизм насыщения тока стока из-за появления в канале больших напряженностей электрического поля, приводящих к насыщению скорости дрейфа (рисунок 6). Этот режим насыщения возникает при E > 3кВ/см, что для арсенидгаллиевых ПТШ соответствует U_СИ = 1 – 2В. С увеличением U_С растёт напряженность поля Е в канале и падает подвижность электронов µn=ν/Е. В этой области ток стока практически не зависит от Uс, но является функцией Uз.

Рисунок 6 – Насыщение скорости дрейфа электронов

3. Область пробоя или область высоких электрических полей при больших значениях Uси (обычно 10 – 20В) зависит от тока стока и технологии изготовления транзистора. Обычно предпринимаются существенные усилия для увеличения пробивных напряжений, что особенно важно для повышения выходной мощности и надёжности транзистора.

Из переходной характеристики Iс = f(Uзи) (рисунок 7) видно, что рабочим диапазоном изменения напряжения на затворе является участок отрицательных напряжений Uз от напряжения отсечки Uзи до напряжения открывания барьера Шоттки.

Рисунок 7 – Переходная характеристика ПТШ

Для маломощного GaAs ПТШ важными являются следующие параметры на постоянном токе.

Iс нас – максимальный ток стока, соответствующий области насыщения (Iс нас при Uзи=0). Типичными значениями напряжений на выводах транзистора для этого тока считаются:, Uси=5В для мощных и Uси=1,5-2В – для малошумящих ПТШ при Uзи=0В.

S – отношение ∆Ic/∆Uзи (крутизна характеристики), которое в области насыщения является приблизительно постоянным;

Uзи отс – напряжение отсечки, соответствующее отрицательному значению напряжения на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля (Iс = 10мкА).

Эти параметры связаны между собой приближенным соотношением

Iс нас = SUзи отс.

Крутизна характеристики S по физическому смыслу представляет собой проводимость g_m

.

Контрольные вопросы

1. Устройство полевого транзистора

2. Принцип работы

3. Выходные характеристики

4. Передаточные характеристики

5. Основные параметры