Главная Обратная связь

Дисциплины:






УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ



ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком.

Канал — это область полупроводникового кристалла, в которой поток носителей заряда только одного знака (основных носителей) регулируется изменением её поперечного сечения напряжением управляющего электрода. Истоком называется электрод полевого транзистора, из которого выходят (истекают) носители заряда. Стоком называется электрод полевого транзистора, в который входят (стекают) носители заряда. Затвором называется электрод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение. Затвор является управляющим электродом. Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затвором и истоком, изменяет проводимость канала и, следовательно, ток через канал. Это управляющее электрическое поле направлено перпендикулярно движению носителей в канале и может быть названо поперечным. Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением между стоком и истоком.

Существует три типа полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала. Они могут иметь изолированный затвор, затвор на основе р–n-перехода или затвор на основе барьера Шоттки. Транзисторы с изолированным затвором из-за наличия структуры металл-окисел-полупроводник имеют невысокие граничные частоты и не используются в сантиметровом диапазоне длин волн. Полевые транзисторы с p–n-переходом не позволяют существенно увеличить уровень мощности вследствие низких допустимых напряжений и малой площади поверхности, отводящей тепло.

Наиболее широкое применение на СВЧ нашли полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).

Полевой транзистор с барьером Шоттки — 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.

Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТШ на арсениде галлия, который имеет высокую подвижность электронов. Лучшие образцы полевых транзисторов из арсенида галлия характеризуются коэффициентом шума, 0,51,4 дБ на частотах 0,518 ГГц и 56 дБ на частотах миллиметрового диапазона длин волн.

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 в 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 (Si), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещённого затвора на барьере Шоттки, поэтому они могут работать на более высоких частотах до 90120 ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот. Несмотря на то, что теплопроводность GаАs в З раза меньше, чем у Si, биполярные транзисторы уступают ПТШ по коэффициенту шума уже на частотах выше 11,5 ГГц.

В 90-х годах происходит интенсивное освоение миллиметрового диапазона волн. Создание приборов для верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн стимулировало переход к субмикроннымдлинам 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.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Полевые транзисторы СВЧ являются тонкоплёночными приборами. Их изготавливают, как правило, из арсенида галлия с электронной проводимостью. Наибольшее распространение получили приборы с затвором Шоттки. Структура однозатворного полевого транзистора с барьером Шоттки изображена на рисунке 9.1.

 

Рис. 9.1:Структура однозатворного ПТШ

Эпитаксиальная плёнка 1 в этих приборах наращивается на поверхность полупроводниковой подложки 2 с низкой концентрацией примесей (удельное сопротивление высокоомной подложки более 10-7 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.

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 перестаёт зависеть от напряжения стока; наступает режим 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.

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

(9.1)

 

где Jси плотность тока стока;
W ширина канала.

Из самых общих физических представлений известно, что время пролёта τ носителей через промежуток, в котором они взаимодействуют с электрическим полем в транзисторе, т.е. область под затвором длиной L, не должно превышать половины периода СВЧ колебаний τ < / 2 , а угол пролета ωL / v < π. Здесь ω— круговая частота, v — средняя скорость дрейфа носителей. Поскольку шумовая температура Tш ~ ωL , в малошумящих транзисторах стремятся по возможности уменьшить величину угла пролёта. На частотах до 5 ГГц в малошумящих транзисторах соотношение ωL / v π удовлетворяется при L ≈ 1 мкм, 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 ≥ 1 мкм пролётное время τ ≥ 10-11 с, 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 ≥ 1 мкм 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 < 1 мкм относятся к классу “умеренно малых”, для них пролётные времена сопоставимы со временами релаксации энергии и импульса электрона. Транзисторы с длиной затвора 0,1 мкм и менее в рамках такой классификации можно отнести к разряду “малых”. В настоящее время созданы транзисторы с длиной затвора L = 0,065 мкм.

Варианты топологии металлизации малошумящих ПТШ из GaAs изображены на рисунке 9.2. ПТШ с затвором L = 1 мкм (рисунок 9.2,а) имеет одну контактную площадку затвора и два зубца затвора шириной 150 мкм. Площадка расположена на полуизолирующем GаАs, поэтому паразитная емкость затвора незначительна.

 

Рис. 9.2:Топология ПТШ: а — двухзубцовая; б — встречно-штыревая; в — гребенчатая

Поскольку высокочастотная выходная мощность на 1 мм 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 9.2 ,б.

Топология транзистора гребенчатого типа показа на рисунке 9.2 ,в.

Особенности ПТШ с точки зрения конструкции выводов истока, затвора и стока состоят в том, что выводы делают в виде коротких полосок, удобных для сочленения с микрополосковыми линиями передачи (рисунок9.3).

 

Рис. 9.3:Конструкция выводов ПТШ

Такая геометрия выводов наиболее полно отвечает требованиям уменьшения их паразитных ёмкостей и индуктивностей. По этой же причине ПТШ, как правило, выполняются без внешнего металлического корпуса.

9.3 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА И ЕЁ ПАРАМЕТРЫ





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...