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-ппереходом, но вместор-пперехода используется затвор в виде контакта Шоттки.

Преимущества: 1) нет инжекции дырок в канал при; 2) длину канала можно сделать очень малой (менее 0,1 мкм).

D

Типовая структура ПТШ:

Рис.3.2. Типовая структура интегрального ПТШ на основеGaAs:

1 – полуизолирующая подложка (  10⁸ Омсм); 2 – барьерныйn-слой (N  210¹⁷ см^-3,а₀  100 нм); 3 –п-канал (а 70 нм); 4 – контактныйп⁺-слой (N  10¹⁸ см^-3,а⁺  100 нм);

5 – омические контакты стока и истока (GeAuNi); 6 –изолирующие области. Затвор – композиции, включающие тугоплавкие металлы (W, Ti, V)

Нужная толщина активного слоя аобеспечивается подтравливанием поверхностного слоя.

В одной ИМС могут быть созданы НО (V_t< 0) и НЗ (V_t> 0) ПТШ.

Активный слой и контактные n⁺-области создаются методами эпитаксии или ионной имплантации (Se).

Пороговое напряжениерассчитывается так же, как для ПТ с управляющимр-ппереходом:

, (3.2.1)

где — (3.2.2)

напряжение перекрытия канала. Вследствие широкой запрещенной зоныGaAsвеличинаφ_C 0,8 - 0,9В_, что обеспечивает высокиеV_GSдля НЗ ПТШ.

3.3. Особенности птш на основе GaAs

Ввиду высокой подвижности электронов насыщение дрейфовой скорости электронов в канале происходит при полях кВ/см (в Si — прикВ/см). Длина канала мала, поэтому эффект проявляется уже при малых напряжениях. Если длина каналамкм, то даже при равномерном распределении продольного поля в канале его пороговое значениедостигается приВ.

Таким образом, ПТШ на основе GaAs практически всегда работают в режиме насыщения дрейфовой скорости электронов в канале. Следствиями этого являются эффекты ограничения тока стока насыщения и модуляция эффективной длины канала.

Пусть ПТШ работает на границе крутой и пологой областейВАХ, когда продольное поле составляетна границе со стоком (,,).

Для крутой областисправедливо соотношение (2.1.9) раздела 2.1 (идеальная модель). На границе крутой и пологой областей ток насыщения равен:

, (3.3.1)

где ,.

Рис.3.3

Для ПТУП величина R₀ в два раза меньше (толщина канала = 2а)

В плоскости электроны имеют скорость, и

, т.е.

(3.3.2)

Соотношения (3.3.1) и (3.3.2), определяют зависимость (если исключить из них параметр).

Приближенное решение:

.

;

Рис.3.4

Эквивалентная схема ПТШ такая же, как ПТ с управляющим р-ппереходом, ноемкости C_gs и C_gd не включают диффузионные емкости диодов D_gs и D_gd.

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 200^оС).

Основные области применения на СВЧ:

Малошумящие усилители, генераторы СВЧ мощности, смесители.

Рассмотренный ПТШ имел однородно легированный канал. Разновидностью ПТШ является ПТШ с δ– легированным каналом ( рис.3.5)

Рис.3.5 Примесный профиль ПТШ с однородным (а) илегированным (б) каналом.

В этих транзисторах барьерный n– слой легируется слабее (N 5 10¹⁶cм^-3), а необходимая для обеспечения заданного порогового напряжения примесная доза сосредоточена в тонком (~ 15 нм)n⁺– слое (δ– слое). ПТШ сδ– легированным каналом обеспечивает большее значение максимальной крутизны и предельной частоты. В этом транзисторе ОПЗ под затвором полностью перекрывает барьерныйn^-– слой, выполняющий роль подзатворного диэлектрика. Поэтому удельная барьерная емкость затвор-канал

не зависит от напряжения, и ВАХ ПТШ с длинным каналом соответствуют теории идеализированного МДПТ с той разницей, что привозможно протекание затворного тока через диодыD_gsиD_gd.

В заключение отметим, что при равной длине канала GaAsПТШ существенно превосходят кремниевые МДПТ по удельной крутизне ВАХ (200 –300 мСм/мм), предельной частоте (выше 100 ГГц приL = 0,1 мкм), шумовым свойствам и температурному диапазону (от 77 К до ~ 450 К). Основными областями их применения являются малошумящие СВЧ усилители, генераторы СВЧ мощности, смесители и другие устройства аналоговой СВЧ техники. На основе ПТШ производятся и цифровые СБИС гигагерцового диапазона, по степени интеграции мало уступающие кремниевым.

Основные результаты раздела 3

1. Основными преимуществами GaAs как материала микроэлектроники являются высокая подвижность электронов, малая энергия активации доноров, большая ширина запрещенной зоны и возможность превращения легированного полупроводника в полуизолятор. Эти свойства способствуют повышению быстродействия, расширению рабочего температурного диапазона и повышению стойкости к внешним воздействиям полупроводниковых приборов на основе GaAs.

2. К недостаткам GaAs по сравнению с традиционным кремнием относятся повышенная плотность дефектов, меньшая механическая прочность и теплопроводность, меньшая подвижность дырок, отсутствие высококачественного собственного окисла, высокая стоимость исходного материала.

3. Базовым активным прибором GaAs ИС является полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ). ПТШ с однородно легированным каналом близки по своим свойствам к полевым транзисторам с управляющимр-ппереходом, однако существенно превосходят их по быстродействию и компактности структуры в ИС. ПТШ слегированным каналом близки по свойствам к МДПТ, но существенно превосходят кремниевые МДПТ по удельной крутизне ВАХ, предельной частоте, шумовым свойствам и температурному диапазону.

4. Применение GaAs как исходного материала ИС целесообразно в тех случаях, когда необходимые свойства изделий не могут быть получены при использовании кремния.