Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

302

Гл. 4. Полевые транзисторы

в них чаще всего используется твердый раствор InxGai-^As

(толщина 100 А, х ~ 0.3), в котором значения v

и д

заметно

выше, чем в GaAs, а более высокая величина АЕ

в гетеропере-

ходе AlGaAs/InGaAs обеспечивает получение высокого значения

гц (до 4 - 10

см"

В последнее время большой интерес вызывают разработки

НЕМТ-транзисторов на основе InAs — полупроводника, в ко-

тором v

и Цп примерно вдвое выше, чем в твердом раство-

ре Ino.53Gao.47 As, согласованном по параметру решетки с InP.

Так, на основе гетеропереходов InAs/AISb уже созданы опыт-

ные приборы, которые при сравнимом с приборами на основе

Ino.53Gao.47As быстродействии потребляют в 5-10 раз меньшую

мощность.

Другим перспективным материалом для НЕМТ-транзисторов

является структура на основе гетероперехода GaN/AlGaN. Ис-

следование опытных образцов этих структур выявило ряд их

интересных свойств, и прежде всего, возможность получения

необычно высокой (>10

см

-2

) поверхностной плотности заряда

в канале, которая намного выше, чем в структуре GaAs/AlGaAs.

Это оказывается возможным за счет поляризационных явле-

ний (решетка GaN является полярной) и пьезоэлектрических

полей, возникающих в механически напряженном слое вблизи

гетерограницы. Вместе с высокой напряженностью поля пробоя

(3,5 МВ/см), хорошей теплопроводностью и высокой скоростью

насыщения электронов в GaN (2,5- 10

см/с) это предопреде-

ляет перспективную для этих структур область применения —

создание мощных полевых транзисторов [207].

В настоящее время НЕМТ-транзисторы являются наиболее

высокочастотными и быстродействующими среди всех типов по-

левых транзисторов, причем параметры транзисторов на осно-

ве InP заметно превосходят параметры транзисторов на осно-

ве GaAs. На основе гетеропереходов AlzIni-xAs-IniGai-zAs-

InP были созданы транзисторы с предельной частотой /г =

= 562 ГГц [208]. Использование НЕМТ-транзисторов в циф-

ровых ИС позволяет уменьшить время задержки распростране-

ния до 3,2 пс [209]. В настоящее время налажен промышлен-

ный выпуск НЕМТ-транзисторов. Эти приборы характеризуются

очень низким уровнем шума. Например, транзисторы MGF4951А

и MGF4953A фирмы Mitsubishi работают на частотах до 26 ГГц

и имеют шум-фактор 0,4 дБ на частоте 12 ГГц; еще более низкий

коэффициент шума имеют НЕМТ-транзисторы на основе InP.

По этой причине НЕМТ-транзисторы используются в системах

спутниковой связи, радиоастрономии, в мобильных телефонах.

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 303

На основе НЕМТ-транзисторов из InP предполагают создавать

цифровые ИС для будущих систем оптоволоконной связи со

скоростью передачи 40-100 Гбит/с.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом.

Сопоставляя рис. 4.26 и рис. 4.27, нетрудно заметить, что если

разделить полевой транзистор с управляющим р-п-переходом на

две части по плоскости симметрии, то каждая из полученных

половинок окажется эквивалентной полевому транзистору с ба-

рьером Шоттки с единственным отличием, состоящим в том,

/с

нас

линеиная

область

насыщения

o/4

v; - Vpo/2

Vc.HBC

, мА

2,0

1,6

1,2

0,8

0,4

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 К, В

Рис. 4.30. Выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с

управляющим р-п-переходом: а — качественный вид; б — транзистор 2N2497

что в транзисторе с управляющим р-п-переходом вместо барье-

ра Шоттки используется р-п-переход. Поэтому выражение для

вольт-амперной характеристики полевого транзистора с управ-

ляющим р-п-переходом совершенно аналогично формуле (4.27),

за исключением того, что ток стока следует увеличить в два

304

Гл. 4. Полевые транзисторы

раза, а вместо встроенного потенциала Vfo использовать контакт-

ную разность потенциалов фк, рассчитываемую по формуле (1.4).

На рис. 4.30 а показан качественный вид выходных вольт-

амперных характеристик полевого транзистора, рассчитанных

по формуле (4.27), а на рис. 4.306 — характеристики промыш-

ленного полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

Экспериментальные зависимости хорошо соответствуют расчет-

ным за исключением области высоких напряжений на стоке,

при которых ток стока резко возрастает (это связано с пробоем

перехода затвор-сток).

р-канал

1 мм

затвор

а Si0

з2 и з2

SiO

и з2

Рис 4 31 Конструкции первых отечественных полевых транзисторов КП102

(а, б), КП103 [в, г) и КП302 (д)

При изготовлении первых полевых транзисторов с управляющим

р-п-переходом основная трудность состояла в том, чтобы создать

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 305

достаточно тонкий канал и при этом обеспечить необходимую меха-

ническую прочность конструкции. Некоторые решения этой проблемы

представлены на рис. 4.31. В конструкции транзистора КП102 с ка-

налом р-типа проводимости на одной стороне пластины из Si с п ~

~ 5 • 10

см"

с помощью диффузии акцепторной примеси создается

слабо легированная область р-типа, которая будет служить каналом

транзистора (см. рис. 4.31а). Затем эту область закрывают защитным

слоем S1O2, в котором через окна формируют сильно легированные

-области истока и стока. Затвором в этой конструкции служит

подложка.

В конструкции транзисторов КП103 с каналом р-типа и КП302

с каналом n-типа на одной стороне пластины сначала создаются неглу-

бокие «карманы», тип проводимости которых противоположен типу

проводимости подложки (см. рис. 4.31 г,д). После этого на поверхно-

сти пластины формируются диффузионные области истоков, стоков и

затворов. Расположенные на поверхности полоски затворов з2 соеди-

няются с подложкой, которая выполняет роль нижнего затвора з1.

Для увеличения крутизны вольт-амперной характеристики каждый из

описываемых приборов содержит пять параллельно соединенных тран-

зисторов. Из-за достаточно большой длины канала предельная частота

$тих транзисторов не превышала 100 МГц.

Мощные полевые транзисторы с управляющим р-п-

переходом строятся в основном по двум схемам [11]. В первой из

них на поверхности эпитаксиального слоя n-типа, выращенного

на подложке р

-типа, вытравливаются V-образные канавки по-

чти на всю глубину эпитаксиального слоя. Эти канавки отделяют

друг от друга области истока и стока; затвором транзистора

служит подложка. Благодаря ^-образной канавке эффективная

длина канала в транзисторе оказывается сравнительно короткой

(порядка 1 мкм). Параллельное соединение большого числа таких

транзисторов позволяет создать, например, транзистор с напряже-

нием пробоя 37 В и током насыщения 270 А, предельная

частота которого составляет 1,2 МГц [11]. Другой конструкцией

мощного полевого транзистора является полевой транзистор со

статической индукцией, рассматриваемый в следующем разделе.

Транзисторы со статической индукцией. Конструкция

мощного полевого транзистора, называемого полевым транзи-

стором со статической индукцией или аналоговым транзисто-

ром [11, 88, 163], показана на рис. 4.32а

). Было предложено

несколько похожих конструкций этого транзистора [210].

Транзистор имеет вертикальную структуру, затвор которой

) В зарубежной литературе для обозначения этих транзисторов использу-

ется аббревиатура SIT (static Induction transistor).

306

Гл. 4. Полевые транзисторы

выполнен в виде сетки из полупроводника р

-типа, разделя-

ющей области истока и стока n-типа проводимости. Носи-

тели, направляющиеся от истока к стоку, в области сетки

движутся по каналам, ширина которых ограничена областя-

ми пространственного заряда р-п-переходов и зависит от при-

ложенного к затвору напряжения. Благодаря очень коротко-

му каналу транзистор характеризуется высоким током стока

и высокой крутизной вольт-амперной характеристики, а из-за

проявления эффектов короткого канала сами вольт-амперные

характеристики сильно отличаются от характеристик обыч-

ных полевых транзисторов и очень напоминают характеристи-

ки вакуумного триода (см. рис. 4.326). Транзисторы со ста-

тической индукцией могут иметь напряжение пробоя 800 В,

максимальный ток стока 60 А, сопротивление в открытом состо-

янии 2 Ом и время включения 200 не [И].

Рис, 4.32. Мощный полевой транзистор со статической индукцией: а — кон-

струкция транзистора, б — его выходные вольт-амперные характеристики [11]

Изменение уровня легирования n-области структуры суще-

ственно влияет на вольт-амперные характеристики транзисто-

ра со статической индукцией. Выше мы описали случай, ко-

гда толщина области пространственного заряда вокруг сетки

меньше половины расстояния между соседними проводника-

ми сетки; в этом случае при нулевом напряжении на затворе

транзистор открыт, а для его закрывания на затвор надо подать

обратное смещение. В другом случае, когда области простран-

ственного заряда перекрываются уже при нулевом напряжении

на затворе, характеристики транзистора становятся похожими

на характеристики биполярных транзисторов (см. гл. 2). Здесь

перекрывающиеся области пространственного заряда образуют

исток

10 20 30

К, В

4.3. Полевые транзисторы

р-п-переходом

барьером Шоттки

307

«базу», которая разделяет верхнюю и нижнюю области п-типа.

Протекание электронов через такую «базу» происходит там, где

высота потенциального барьера для них минимальна — в местах,

посередине между проводниками сетки. Такую конструкцию

транзистора называют биполярным транзистором со стати-

ческой индукцией 0. Особенностью работы такого транзистора

является то, что при подаче на затвор положительного смещения

начинается инжекция дырок в слабо легированную п-область.

Это вызывает приток электронов из контактов истока и стока

для компенсации заряда инжектированных дырок, в результате

чего сопротивление открытого канала резко падает. Из-за моду-

ляции проводимости рабочая плотность тока в этих транзисторах

может быть в несколько раз выше, чем в обычных биполярных

транзисторах. Это предопределяет возможность использования

биполярных транзисторов со статической индукцией в качестве

мощных коммутационных устройств. Описанный выше режим

работы называют биполярным режимом работы транзистора со

статической индукцией в отличие от полевого режима, реализу-

емого при отрицательных смещениях на затворе.

Наконец, если концентрация легирующей примеси в п-

области совсем низка (г-область), то возникает весьма необычная

(триодная) вольт-амперная характеристика. Это связано с тем,

что из-за слабого экранирования электрического поля в г-области

высота потенциального барьера для инжекции электронов из

истока оказывается линейной комбинацией потенциалов затвора

и стока. Поэтому пока плотность тока инжекции невелика, ток

стока

где коэффициент р, зависит от геометрии прибора. При увели-

чении плотности тока концентрация электронов в канале ста-

новится выше концентрации легирующей примеси и ток стока

начинает ограничиваться пространственным зарядом инжектиро-

ванных носителей.

Существует еще один вариант транзистора со статической

индукцией, в котором сетка затвора изготовлена из металла

и погружена в достаточно сильно легированный полупровод-

ник [69]. Это — так называемый транзистор с проницае-

мой базой. В этом транзисторе ширина каналов модулируется

) В зарубежной литературе для обозначения этих транзисторов использу-

ется аббревиатура BSIT {bipolar static Induction transistor).

308

Гл. 4. Полевые транзисторы

с помощью барьеров Шоттки. Интерес к этому типу транзистора

обусловлен тем, что из-за очень короткого канала (его длина

определяется максимальной толщиной обедненного слоя барьера

Шоттки) еще в 80-х годах на транзисторах из GaAs с вольфра-

мовой сеткой удалось получить время задержки распространения

сигнала 4,3 пс [211].

Транзисторы со статической индукцией изготавливают не

только из кремния и GaAs, но также и из SiC и GaN. Два

последних полупроводника характеризуются широкой запрещен-

ной зоной, высокой напряженностью поля пробоя и достаточно

высокой подвижностью электронов, и поэтому хорошо подходят

для создания мощных высокочастотных транзисторов (например,

эти приборы позволяют получить выходную мощность 10 Вт

на частоте 10 ГГц). Отечественной промышленностью разрабо-

тан ряд мощных кремниевых транзисторов со статической индук-

цией, например, КП802 для работы в полевом режиме и КП934

для работы в биполярном режиме.

Шумы в полевых транзисторах. Основными источниками

шума в полевых транзисторах являются тепловой шум канала и

дробовой шум затвора. Подробный расчет этих шумов проведен

в работе [49], здесь же мы обсудим только их результаты.

При нулевом напряжении сток-исток тепловой шум канала

определяется его сопротивлением, которое, как мы показали

выше, численно совпадает с величиной, обратной крутизне вольт-

амперной характеристики транзистора д

нас

в режиме насыще-

ния. Расчеты, проведенные при

0 (то есть когда канал

становится неоднородным по толщине) показывают, что средний

квадрат напряжения шума равен

AjnkT

д/

(4 30)

9т. нас

где коэффициент 7 определяется профилем изменения толщины

канала вдоль образца и изменяется от 1 при

clf

—

0 до 7 и

« 2/3 в режиме насыщения. То же справедливо и для МОП-

транзисторов, созданных на высокоомных подложках.

Дробовой шум в полевых транзисторах достаточно мал, что

обусловлено малым током утечки затвора. Однако на средних и

высоких частотах в флуктуации тока затвора кроме дробового

шума начинает давать вклад еще шум протекающего в цепи за-

твора емкостного тока, индуцированного тепловым шумом в ка-

нале. Если бы этот ток носил чисто емкостный характер, то он не

давал бы вклад в шум (поскольку, в соответствии с принципом

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 309

Онзагера, шум связан с диссипативными процессами). Однако

из-за конечного времени пролета носителей через канал сдвиг

между фазой флуктуации напряжения и фазой емкостного тока

немного отличается от 90°. В результате этого в токе затвора

появляется действительная составляющая, которая дает допол-

нительный вклад в токовый шум. В итоге, полная величина

среднего квадрата флуктуаций тока в цепи затвора равна

t=(

47fc

- Л».,™

\ 9т

где Связке — эффективная емкость, приблизительно равная 2/3

от емкости затвор-исток, a w — 2тг/. Второе слагаемое в этой

формуле обычно начинает превышать дробовой шум (первое сла-

гаемое) на частотах выше кГц. Поэтому для высокочастот-

ных применений следует использовать транзисторы с наимень-

шим отношением С„х.экв/<?т-

В полевых транзисторах с МОП-структурой большую роль

играет фликкер-шум, связанный с захватом и выбросом но-

сителей поверхностными состояниями. Спектральная плотность

этого шума пропорциональна плотности поверхностных состо-

яний. Как мы уже отмечали, наименьшей плотностью поверх-

ностных состояний на границе Si-SiOg характеризуется поверх-

ность Si(100), и, следовательно, для ослабления фликкер-шума

в МОП-транзисторах следует использовать кремний с такой

ориентацией поверхности. Однако даже при этом избыточный

шум в МОП-транзисторах оказывается столь сильным, что для

усиления слабых сигналов эти транзисторы можно использовать

только на частотах выше 1 МГц.

В полевых транзисторах с р-п-переходом источником допол-

нительного шума являются процессы генерации-рекомбинации

с участием глубоких ловушек в области пространственного за-

ряда. Захват и выброс носителей на эти ловушки модулиру-

ет толщину обедненного слоя и, следовательно, меняет тол-

щину проводящего канала. В полевых транзисторах из GaAs

с барьером Шоттки заметную роль играет также генерационно-

рекомбинационный шум, связанный с глубокими ловушками

в канале транзистора.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом и мно-

гоячеечной структурой (например, 2SK369 фирмы Toshiba) могут

иметь очень низкое значение шумового напряжения (0,7 нВ/%/Гц

на частоте 1 кГц) и при сопротивлении источника сигнала

10 кОм усилитель на таком транзисторе будет иметь температуру

А/.

(4.31)

310 Гл. 4. Полевые транзисторы

шума менее 2Kb области звуковых частот. Из-за малого шума

тока утечки затвора полевые транзисторы идеально подходят

для создания низкошумящих усилителей с высоким входным

сопротивлением.

Глава 5

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Структура, похожая на рассмотренный нами в п. 4.1.1

МОП-конденсатор, используется в приборах с зарядовой свя-

зью (ПЗС), иногда также называемых приборами с переносом

заряда

X Приборами с зарядовой связью называют семейство по-

лупроводниковых приборов, работа которых основана на управ-

ляемом перемещении зарядовых пакетов вдоль поверхности

полупроводника путем подачи на систему поверхностных элек-

тродов определенной последовательности тактовых импульсов

[212, 213]. Изменяя величину заряда в зарядовых пакетах, мож-

но кодировать как цифровую, так и аналоговую информацию.

Это предопределяет широкие возможности применения этих при-

боров.

Идея о возможности использования не напряжения, а величины

заряда для представления информации и ее обработки возникла за-

долго до изобретения приборов с зарядовой связью. В.К.Зворыкин,

изобретатель первой передающей телевизионной трубки (иконоскопа),

еще в 1934 г. высказал идею создания запоминающих устройств,

информация в которых хранилась бы в виде зарядов на множестве

конденсаторов, созданных на поверхности изолирующей подложки.

В 1952 г. были созданы первые электронные схемы аналоговых линий

задержки, которые использовали принцип направленного перемещения

заряда и получили название «пожарных цепочек»

) В зарубежной литературе эти приборы обозначаются CCD (charge cou-

pled device).

) Термин «пожарная цепочка* взят из обыденкой жизни. Так называется

известный принцип пожаротушения» когда люди, стоя на месте, передают ведра

с водой друг другу по цепочке.