1.5 Полевой транзистор с барьером Шоттки

ПТШ - полупроводниковый прибор планарно-эпитаксиального типа с затвором на барьере Шоттки, имеющий контакты на внешней поверхности кристалла полупроводника n-типа. История рождения и жизни полевого транзистора - поучительный пример открытия, намного опередившего время.

Изобретенный в 1930 году он пережил второе рождение в 70 - 80-х годах. Благодаря поразительным успехам физики твердого тела и полупроводниковой технологии был создан новый тип полевых транзисторов СВЧ - ПТШ, способных усиливать и генерировать электромагнитные колебания практически во всём СВЧ диапазоне вплоть до миллиметровых волн и обладающих при этом малыми собственными шумами.

Полевые транзисторы (ПТ) были разработаны позже биполярных транзисторов. Конструктивно-технологические отличия ПТ, вытекающие из их принципа действия, позволяют повысить частотную границу СВЧ транзисторных устройств по сравнению с устройствами на биполярных транзисторах.

Отметим некоторые преимущества ПТШ по сравнению с биполярными транзисторами. Благодаря более простой и совершенной технологии изготовления ПТШ имеет меньший разброс электрических параметров. Ток в них течёт не через р-n-переходы, а между омическими контактами однородной среде канала. Благодаря этому ПТШ обладают более высокой линейностью передаточной характеристики, у них нет шумов токораспределения, а плотность тока может быть большой, следовательно, уровень их шумов меньше, отдаваемые мощности больше. Подвижность электронов в слабом поле арсенида галлия (GaAs), из которого изготавливают ПТШ, примерно в 2 раза выше, чем в кремнии (Sі), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещенного затвора на барьере Шоттки, поэтому они могут работать на более высоких частотах до 90-120ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот. Несмотря на то, что теплопроводность GaAs в 3 раза меньше, чем у Sі, биполярные транзисторы уступают ПТШ по коэффициенту шума уже на частотах выше 1 -1,5 ГГц.

В 90-х годах происходит интенсивное освоение миллиметрового диапазона волн. Создание приборов для верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн стимулировало переход к субмикронным длинам затвора и новым технологическим решениям, что потребовало углубления физических представлений о процессах, происходящих в таких транзисторах, и вызвало многочисленные исследования в этой области.

Разработка и проектирование полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем СВЧ диапазона с применением ПТШ на основе арсенида галлия определились как самостоятельное направление развития СВЧ техники. Важнейшими качествами таких микросхем по сравнению с микросхемами на биполярных транзисторах являются более высокое быстродействие и лучшие шумовые характеристики. Именно эти параметры и определили основные области их применения. Они широко используются в радиоприёмной, радиопередающей и измерительной аппаратуре СВЧ диапазона.

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.

Эпитаксиальная плёнка 1 в этих приборах наращивается на поверхность полупроводниковой подложки 2 c низкой концентрацией примесей (удельное сопротивление высокоомной подложки более 10 Ом). 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.

Рис. 1.9 Структура ПТШ

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 в управляющего напряжения.

Слой под затвором, обеднённый электронами, уменьшает высоту канала. Если помимо постоянного напряжения U_см к затвору приложить переменное напряжение U_из(t), то в соответствии с изменением этого напряжения изменяется эффективная высота канала h_эфф, а следовательно, и ток стока:

где J_си - плотность тока стока; W- ширина канала.

Из самых общих физических представлений известно, что время пролёта носителей через промежуток, в котором они взаимодействуют с электрическим полем в транзисторе, т.е. область под затвором длиной Ь, не должно превышать половины периода СВЧ колебаний ф < Т/2, а угол пролета щL/н<р. Здесь щ- круговая частота, н-средняя скорость дрейфа носителей. Поскольку шумовая температура Т_ш ~ щL, в малошумящих транзисторах стремятся по возможности уменьшить величину угла пролёта. На частотах до 5ГГц в малошумящих транзисторах соотношение щL/V<0 удовлетворяется при L~1мкм, а уменьшение L сверх этого предела в большинстве случаев технически и экономически неоправданно. Это объясняется рядом причин и в том числе большей стоимостью, меньшей надежностью, устойчивостью и динамическим диапазоном транзисторов с субмикронными длинами затворов.

При длине затвора L>1мкм пролётное время ф>10^-11с, что на порядок превышает время релаксации энергии и импульса электрона. Поэтому нестационарные явления при таких длинах затвора не оказывают существенного влияния на поведение транзистора. Транзисторы с L>1мкм условно относятся к классу “больших”. Отметим, что характерной величиной здесь является длина затвора, а не полная длина канала от истока до стока, поскольку модуляция толщины канала происходит в основном в области канала, прилежащей к затвору. Области канала вне затвора оказывают меньшее, но, тем не менее, существенное влияние. Эти области вносят паразитные сопротивления, ухудшающие характеристики полевого транзистора, что находит отражение в эквивалентной схеме транзистора.

Транзисторы с 0,2<L<1мкм относятся к классу “умеренно малых”, для них пролётные времена сопоставимы со временами релаксации энергии и импульса электрона. Заметим, что транзисторы с длиной затвора 0,1 мкм и менее в рамках такой классификации можно было бы отнести к разряду “малых”. В настоящее время созданы транзисторы с длиной затвора L=0,065мкм.

Типичные характеристики маломощного ПТШ представлены на рисунке 1.10.

Рис. 1.10 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 U_си достигает U_{си нас}, канал у конца затвора со стороны стока сужается, т. е. практически полностью смыкается, так что дальнейшее увеличение тока не происходит (идеальный случай).

- Когда канал смыкается, транзистор переходит в область насыщения, где ток стока практически не зависит от U_зи. В приборах с коротким каналом, таких как арсенид-галлиевый ПТШ, возникает иной механизм насыщения тока стока из- за появления в канале больших напряженностей электрического поля, приводящих к насыщению скорости дрейфа. Этот режим насыщения возникает при Е > 3кВ/см, что для арсенид-галлиевых ПТШ соответствует U_СИ = 1 - 2В. С увеличением U_С растёт напряженность поля Е в канале и падает подвижность электронов µn=н/Е. В этой области ток стока практически не зависит от U_с, но является функцией U_з. Рост I_с с уменьшением модуля и_з объясняется значением U_эфф, что вытекает из выражения (1).

Рис. 1.11 Насыщение скорости

Мгновенное напряжение на стоке U_с(t) может изменяться от нуля до напряжения пробоя U_пр. При отрицательном напряжении на затворе ток затвора мал (десятки - сотни микроампер). Большинство транзисторов в усилителях (особенно в линейных малосигнальных) работают в области насыщения (подвижные носители заряда в канале двигаются со скоростью насыщения), которая располагается между линейной областью и областью пробоя.

2. Область пробоя или область высоких электрических полей при больших значениях U_си (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. В случае применения транзистора в линейных и малошумящих усилителях эта область не является важной, так как оптимальный режим работы транзистора не соответствует возникновению в канале больших полей.

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

Рис. 1.12 Переходная характеристика ПТШ

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

I_{с нач} - начальный ток стока равный I_{с нас} при U_зи=0;

I_с на_с - максимальный ток стока, соответствующий области насыщения. Типичными значениями напряжений на выводах транзистора для этого тока считаются: U_зи=0В, U_си=5В для мощных и U_си=1,5-2В - для малошумящих ПТШ.

S - отношение ?I_с/?U_зи (крутизна характеристики), которое в области насыщения является приблизительно постоянным;

U_{зи отс} - напряжение отсечки, соответствующее отрицательному значению напряжения на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля (I_с = 10мкА). Эти параметры связаны между собой приближенным соотношением I_снас =SU_зи

Крутизна характеристики S и проводимость g_m совпадают по физическому смыслу.