Полевые транзисторы

1. Полевые транзисторы

1.1. МОПТ с короткими и узкими каналами

          Идеальный МОПТ должен обеспечивать полный контроль заряда в канале зарядом на затворе. В значительной степени это определяется геометрической конфигурацией транзистора. В идеальной конфигурации должны быть выполнены следующие требования:

- каждый заряд на затворе индуцирует заряд в окисле;

- заряды в истоке и стоке не должны влиять на заряд в окисле.

Этому в реальном транзисторе мешают следующие факторы:

- разница работ выхода из металла затвора и полупроводника подложки, и заряд поверхностных состояний на границе Si-SiO₂, [1]

Рекомендуемые материалы

- часть силовых линий от затвора уходит в сторону и индуцирует дополнительный заряд на краях. Возникает также паразитная электростатическая связь между затвором и стоком, каналом и стоком.

         Особенно существенны такие эффекты в коротко- и узкоканальных транзисторах. Это часто называют «геометрическим фактором».

          По мере уменьшения длины канала МОПТ свойства последнего начинают резко отличаться от свойств обычных  длинноканальных приборов. Эти отклонения – так называемые короткоканальные эффекты – обусловлены существенно двумерным характером распределения электрических полей в активной области и сравнительно высокими абсолютными значениями напряженности полей.

На рис. 1.1 показано схематическое сечение МОП-транзистора, в котором ток течет между истоком (И) и стоком (С) в канале, направленном по оси y.

Рис. 1.1 – Сечение МОПТ

Для анализа работы узкоканального транзистора, как правило, используют приближение плавного канала, которое состоит в том, что в каждой точке канала можно записать уравнение электронейтральности для канальных значений поверхностных концентраций затвора, поверхностных (инверсных) и обедненных слоев.

N_з(y)=n_s(y)+N_ax_d(y)                                             (1.1)

         Это приближение справедливо, когда величина электрического поля по направлению оси x: Е_х >> Е_у.

         Отметим, что потенциал затвора не зависит от напряжения на стоке, как канальный потенциал канала U_к, и, соответственно, поверхностная плотность заряда отдельного слоя возрастает по мере увеличения y.

         U_зп=φ_мп + φ_F + U_k(y) +      [n_s(y) + N_aN_d(2φ_{F +} U_k(y))] = const(y)      (1.2)

         Это означает, что канальная плотность носителей в канале n_s(y) уменьшается по мере приближения к стоку.

Если при неизменной концентрации легирующей примеси в подложке сокращать длину канала прибора, в конце концов она станет величиной порядка толщины обедненных слоев р–n-переходов стока и истока. При этом распределение потенциала в канале будет равным образом определяться поперечным полем Е_х, обусловленным напряжениями на затворе и подложке, и продольным полем Е_у, инициированным напряжением смещения стока  транзистора. Иными словами, распределение потенциала в таком короткоканальном приборе имеет двумерный характер, и для его описания уже нельзя использовать приближение плавного канала, которое предполагает, что Е_х >> Е_у. Двумерный  характер распределения потенциала существенно изменяет подпороговый участок характеристики прибора, обуславливает нежелательную зависимость порогового напряжения от длины канала и напряжений смещения на электродах, уменьшает выходное сопротивление, препятствуя отсечке канала.

         При повышенных значениях электрических полей, характерных для короткоканальных приборов, становится важной полевая зависимость подвижности, которая в конечном итоге приводит к насыщению дрейфовой скорости. При еще больших полях в окрестности стокового перехода начинается ударная ионизация, становится существенной дополнительная проводимость по подложке и происходит так называемое включение паразитного биполярного транзистора. Высокие электрические поля приводят также к разогреву носителей и соответствующей инжекции  горячих носителей в окисел. Такая зарядка окисла обуславливает сдвиг порога, дрейф характеристик и ухудшение крутизны прибора.

         Все перечисленные короткоканальные эффекты усложняют работу прибора и ухудшают его рабочие характеристики. Следовательно, в практике конструирования следует стремиться к устранению или  минимизации этих эффектов, чтобы «физически» короткоканальный прибор был электрически подобен длинноканальному.

Эффекты короткого канала обусловлены двумя основными причинами:

- близостью ОПЗ сток-подложка и исток-подложка (геометрический эффект короткого канала)

- умножение носителей в ОПЗ сток-подложка и заряду окисла (эффект горячих электронов)

         Одним из путей борьбы с короткоканальными эффектами является переход от планарных структур к объемным, что позволяет максимально окружить активную область кремния затворами непланарной конфигурации (П-образные, Ω-образные затворы и т.п.).

        

1.1.1. Подпороговые токи

Критерии короткоканальности МОПТ связаны с появлением подпороговых токов. Анализировались передаточные (т.е.  от U_зи) характеристики нескольких МОПТ, изготовленных по стандартной n-канальной технологии на пластинах р-кремния  с ориентацией (100). После выращивания подзатворного окисла заданной толщины с помощью рентгеновской литографии на пластинах формировались поликремневые затворы длиной от 1 до 10 мкм и одинаковой шириной 70 мкм. Переходы стока и истока были получены имплантацией ионов мышьяка с последующим отжигом. Глубина переходов варьировалась от 0,25 до 1,5 мкм в зависимости от энергии имплантации и режима отжига. Концентрация легирующей примеси в подложке варьировалась от 10¹⁴ см^-3 до 10¹⁷ см^-3. Особенно ярко проявлялись эффекты короткого канала при анализе характеристик транзисторов с концентрацией в подложке Nп=10¹⁴ см^-3.

Рис. 1.2 - Подпороговые характеристики МОПТ с различной N_П=10¹⁴см^-3

Здесь небольшой сдвиг характеристик при изменении  V_c  наблюдается уже в приборе с L = 7 мкм.  В МОПТ с каналом длиной 3 мкм подпороговые токи и соответствующие S существенно увеличены. И, наконец, характеристики прибора с самым коротким каналом (L = 1,5 мкм) кардинально отличаются от характеристик обычных длинноканальных приборов (прибор «не выключается»).

На рис. 1.2  - параметр, характеризующий величину изменения напряжения на затворе U_з, требуемое для изменения тока стока на порядок

                                                                                                (1.3)

где C_o.c. – удельная емкость обедненного слоя, C_o – удельная емкость на затворе.

Такое поведение подпороговых токов можно объяснить влиянием диффузионного поля p-n перехода сток-подложка E_сп  на величину потенциального барьера p-n перехода исток-подложка.

Рис. 1.3 – Схема, иллюстрирующая положение диффузионного электрического поля исток-подложка E_ип

Известно [1], что  диффузионные токи на металлургической границе  n+-исток – p-подложка в установившемся режиме нейтрализуется дрейфовыми токами, появляющимися при возникновении электрического поля в ОПЗ p-n перехода исток-подложка. В результате равновесие «диффузия-дрейф» нарушается в пользу «диффузии» и диффузионный подпороговый ток увеличивается.

Критерий, разграничивающий длинно- и короткоканальные приборы, можно попытаться определить, используя одно из двух характерных свойств обычного длинноканального МОПТ: 1) обратно пропорциональную зависимость тока стока от длины канала ~ ; 2) независимость подпорогового тока обычного прибора от напряжения стока при  V_c > 3kT/q. На рис. 1.4 приведены зависимости  и  от , где  - ток стока транзисторов при напряжении на затворе  равном пороговому напряжению  V_пор, а  - относительная разность токов при том же V_з = V_пор и двух  различных напряжениях стока V_c. Началом короткоканального поведения будем считать момент, когда отклонение тока стока от длинноканальной зависимости  ~  составляет 10% или когда относительная разность  равна 0,1.

Рис. 1.4 - Зависимость тока стока и отношения  от величины

Результаты большого количества измерений, выполненных в МОПТ, параметры которых варьировались в широких пределах (толщина подзатворного окисла d, концентрация примеси в подложке  глубина переходов  при напряжениях на стоке до 5 В), обобщаются довольно простым эмпирическим соотношением

                          (1.4)

Здесь L_мин – минимальная  длина канала, при которой подпороговый участок еще сохраняет длинноканальный характер, мкм; r_i – глубина залегания переходов, мкм; d – толщина слоя окисла, () – сумма толщин обедненных слоев стока и истока, вычисленная в приближении одномерного резкого р-n-перехода:

                           , [мкм]  (= 0)              (1.5)

                                                   ,

где  – контактная разность потенциалов исток-подложка и сток-подложка;  – напряжение смещения на подложки.

При нулевом смещении стока (U_cи = 0) толщина  равна .

Рис. 1.5 - Зависимость минимальной длины канала L_мин  от параметра γ

          На рис. 1.5 приведены для сравнения результаты соответствующих экспериментальных измерений () и вычислений по эмпирическому соотношению. Здесь также приведены результаты двумерных машинных расчетов зависимости L_мин  от  ( – о – ), полученные на основе сформулированных выше критериев короткоканального поведения. Отметим, что в самых худших случаях экспериментальные и расчетные результаты отличаются от эмпирического соотношения не более чем на 20%, а для основного числа точек наблюдается значительно лучшее соответствие. Следовательно, эмпирическую формулу можно использовать в качестве главного ориентира  в практике миниатюризации МОПТ. Все МОПТ с параметрами, которым соответствует точка в заштрихованной области рис. 1.5 , по своим электрическим свойствам будут короткоканальными приборами. МОПТ  с параметрами, попадающими в незаштрихованную область рис. 1.5 , в электрическом смысле являются длинноканальными. Так, например, свойства прибора с L =10 мкм, у которого  = 10⁵ мкм³ , будут короткоканальными, в то время как МОПТ с L = 0,5 мкм, но с  = 1 мкм³, будет вести себя как длинноканальный прибор.

При приложении напряжения на сток часть силовых линий от заряда в стоке оканчивается в области и индуцирует дополнительный заряд в канале. Таким образом, напряжение на стоке U_си влияет на эффективное значение порогового напряжения. Этот эффект подобен тому, что высота потенциального барьера между истоком и стоком может понижаться не только напряжением на затворе, но и напряжением на стоке (рис. 1.6), и называется DIBL-эффект (Drain Induced Barrier Lowering).

Главным следствием этого эффекта является то, что токи стока в подпороговой области начинает сильно зависеть от напряжения на стоке (рис. 1.6):

Рис. 1.6 – Понижение барьера между стоком и истоком, индуцированное напряжением на стоке (DIBL-эффект)

1.1.2. Уменьшение порогового напряжения

В длинноканальных МОПТ пороговое напряжение U_пор  не зависит от длины канала, а определяется, в основном, толщиной подзатвор­ного окисла d_ок  и концентрацией примеси в подложке N_п (N_а для n-каналь­ных). Для коротких и узких каналов существенную роль начинают играть краевые эффекты. Часть силовых линий от затвора уходят на край и/или на другие электроды. В этом случае заряд в канале и, соответственно, пороговое напряжение становится глобальной характеристикой всего транзистора U_пор=f(d_ок, N_а, L, r_j), т.е. зависит также от длины канала L и от глубины залегания истока и стока  r_j.

Известно, что условие электронейтральности приборов в равенстве удельных зарядов затвора с одной стороны, обедненного слоя и канала с другой стороны (Кл/см²), т.е.

qN_з = qN_аX_d+qnк                                                        (1.6)

Условие электронейтральности для короткоканальных приборов выражается в равенстве полных (интегральных) зарядов (Кл). При этом нужно учитывать, что часть заряда обедненного слоя Q_о.с. нейтрализуется зарядом ОПЗ истока и стока (Q_и+Q_с)ОПЗ

Q_з+ (Q_и+ Q_с) ОПЗ = Q_о.с.+ Q_к                                                   (1.7)

Известно, что величину порогового напряжения можно записать, как:

                                       (1.8)

         В короткоканальном транзисторе часть отрицательного заряда ОПЗ подложки компенсируется не только зарядом на затворе, но и положительным зарядом в стоке и истоке (рис. 1.7, а), уменьшая тем самым заряд обедненного слоя, контролируемого затвором, т.е. величину U_пор.

         В первом приближении величину U_пор короткоканального прибора при учете только геометрического фактора можно оценить, используя простые геоментрические соображения (рис. 1.7, б). Считаем, что заряд обедненного слоя Q_о.с.ЭФ равен заряду ионезированных примесей в трапециодальной области под затвором:

                                     Qо.с._ЭФ=  Z,                                   (1.9)

где  - удельный заряд обедненного слоя; Z – ширина канала; L и L₁ – длины каналов по поверхности  и объему, соответственно (см. рис. 1.7, 1.8).

        

Отсюда приведенная длина канала становится равной:

                            (1.10)

И в соответствии с (1.8) пороговое напряжение можно записать как:

         

                                   (1.11)

Из (1.11) следует, что величина порогового напряжения снижается с уменьшением длины канала.

С учетом влияния напряжения на стоке (рис. 1.7, в) сдвиг «физически и электрически» короткоканального транзистора по отношению к длинноканальному можно записать как:

                                                   (1.12)

где   ,  

Здесь  - поверхностный потенциал, а

 

                        а

                       б

                        в

Рис. 1.7 - Модель принципа электронейтральности при рассмотрении короткоканальных эффектов: а) схематическое представление разделения активной области ОПЗ (заштриховано) на части 1,2 и 3: 1 – обедненная затвором; 2 – обедненная истоком; 3 – обедненная стоком. б) схема, поясняющая процедуру приближенного решения для нахождения величины порогового напряжения. в) учет влияния напряжения стока

1.2. МОПТ структуры

         Мощные МОПТ используются или как усилители мощности (при конструировании необходимо добиваться хороших частотных характеристик), или как мощный ключевой элемент  (при конструировании необходимо добиваться малых потерь мощности).

1.2.1. МОПТ как усилитель мощности

         Работая в пологой области выходной характеристики, МОПТ является по существу приборами с квадратичной вольт-амперной характеристикой, так как

         Отсутствие в характеристике МОПТ членов нечеткого порядка приводит к малому уровню перекрестных искажений, т.е. к отсутствию заметного взаимодействия между двумя высокими  частотами внутри полосы пропускания, когда  прибор используется как линейный усилитель.

         Переходные характеристики МОПТ приблизительно линейны при малых сигналах, когда  ток на выходе i_c связан с входным напряжением U_зи соотношением:

i_{c зи}.

         Если это свойство МОП-транзисторов сохраняется для достаточно большого интервала токов, то они приобретают преимущество перед биполярными транзисторами, поскольку последние для подавления искажений требуют значительно  более сильной обратной связи. Поэтому мощные МОП-транзисторы применяются в схемах усилителях звуковой частоты, а также для осуществления широтно-импульсной модуляции. Биполярные транзисторы для этой цели не годятся, так как не обладают достаточно высокими частотными характеристиками.

Выходная мощность МОП-транзистора

P_вых  I_{с мах} (U_{си пр.} - U_син.),                                         (1.13)

где (U_{си пр.} - U_син.) – максимальный размах напряжения на стоке; U_{си пр.} – напряжение пробоя сток – исток.

         Очевидно, что для достижения большой выходной мощности желательно, чтобы напряжение пробоя U_{си пр.} было  намного больше напряжения насыщения U_син.  

         Для получения большой  величины тока стока I_{с мах}  нужно увеличивать ширину Z затвора. Для этого в конструкциях МОПТ  применяют или гребенчатый затвор (зубцы гребенки входят друг в друга), или затвор имеет ячеистый вид.  Необходимо также уменьшать последовательное сопротивление транзистора во включенном состоянии, которое включает в себя  сопротивление канала, тока и истока. На сопротивлениях истока и стока бесполезно рассеивается мощность. Сопротивление истока, кроме того, влияет на параметры входной цепи усилителя и проявляется как элемент обратной связи, в результате чего коэффициент усиления прибора падает.

         В настоящее время при постоянных токах стока десятки ампер сопротивления истока и стока МОПТ не превышает несколько десятых Ома.

         Минимизировать емкость затвор – канал можно использованием самосовмещенного затвора из поликристаллического кремния. Уменьшить паразитные емкости помогает также применение более утолщенной пленки оксида под металлическим контактом затвора в местах, расположенных вне активного канала.

         Использование в качестве усилителей транзисторов с n-каналами во многих отношениях предпочтительнее, чем с р-каналами  из-за большей подвижности электронов, лучших частотных характеристик и большей крутизны вольт-амперной характеристики.

1.2.2. Мощный МОПТ как ключевой элемент

Мощные МОПТ предназначены для переключения больших токов, и при этом падение напряжения на нем в проводящем состоянии  лишь ненамного выше, чем в биполярных транзисторах с такой же активной площадью кремниевой структуры. Падение напряжения, которое возникает на остаточном сопротивлении проводящей структуры (сопротивление канала , истока  и стока ), является одним из важнейших параметров любого переключения так как именно им определяется количество рассеиваемой мощности.

         На рис. 1.8 показана идеализированная  характеристика переключения: вход – напряжение затвор – исток , выход – ток стока

Рис. 1.8 - Идеализированная характеристика переключения

мощного МОП-транзистора

          При достижении на затворе порогового напряжения  ток стока быстро нарастает (для идеализации предполагаем, что подпороговый ток равен нулю). По окончании времени t_ПР ток стока достигает своего максимального установившегося значения . После снятия напряжения на затворе начинает разрешаться емкость затвор – канал. По истечении относительно короткого времени рассасывания  (рассасывание заряда, накопленного на емкости затвор – канал) напряжение на затворе уменьшается до величины , при котором ток транзистора выходит из области насыщения и начинает уменьшаться при одновременном уменьшении напряжения на затворе.

         По истечении  времени спада  напряжение на затворе станет равным пороговому , и процесс выключения практически оканчивается.

         В биполярных транзисторах процессы токопереноса определяются как основными, так и неосновными носителями заряда. Поэтому накопление заряда неосновных носителей как в базовой, так и в коллекторной областях  во многом определяет время переключения мощных биполярных транзисторов. Процессы в МОП-транзисторах определяются только основными носителями заряда. И хотя в МОП-транзисторах необходимо учитывать накопление заряда на входной емкости, которая определяется полной площадью затвора, намного меньше заряда, накапаливаемого в биполярном транзисторе. Следовательно, МОП-транзисторы являются более быстродействующими приборами, чем биполярные. Например, время включения и выключения оптимально изготовленного МОП-транзистора при токе стока  и напряжение на стоке  как правило, составляет 100 нс и  зависит, безусловно, от внешней цепи. Время задержки обычно не превышает 50 нс, а время рассасывания – 100 нс. К тому же время переключения несущественно зависит от температуры в то время, как в биполярных транзисторах время переключения намного увеличивается при росте температуры, так как растет время жизни.

          Максимальные полученные значения частоты переключения в мощных МОП-транзисторах составляют несколько сот килогерц, в биполярных же эта частота составляет 5 кГц.

         Напряжение на затворе растет соответственно уравнению заряда входной емкости

                             (1.14),

где – входная емкость;  – внутреннее сопротивление генератора импульсов. Время задержки при включении заканчивается в момент, когда потенциал на затворе достигает порогового значения , и согласно выражению (1.17)

                                 (1.15)

 

1.2.3. Влияние температуры на параметры и характеристики

МОПТ

         Эффективная подвижность носителей  в области канала с ростом температуры падает из-за усиления различных механизмов рассеяния. В интервале температур от -55 до 125^оС зависимость подвижности от температуры можно представить в виде ~Т^-1, как для дырок, так и для электронов. При температуре выше 125^оС эффективная подвижность меняется более резко, а именно ~Т^-.

         В выражении  для порогового напряжения

 практически все составляющие правой части этого выражения зависят от температуры, а именно [1]:

 ;  (для МОПТ с алюминиевым затвором) и т.д. Измерение  порогового напряжения для n- и р- канальных транзисторов составляет -  для концентрации примеси в подложке  (рис. 1.9).

         Изменение подвижности носителей и порогового напряжения с температурой сказывается на таких параметрах, как ток стока I_c , крутизна характеристики S и сопротивление транзистора  в проводном состоянии.

         Температурный коэффициент тока стока при небольших токах положителен, тогда как при больших токах он отрицателен. Такая зависимость объясняется тем, что при падении порогового напряжения с ростом температуры при том же  напряжении на затворе течет большой ток стока  это - превалирующая  причина изменения тока при малых его величинах при изменении температуры. При больших значениях тока он начинает падать с ростом температуры из-за уменьшения величины подвижности. Точки изменения диска температурного коэффициента различны для различных приборов.

         Крутизна характеристики S с ростом  температуры уменьшается с температурным коэффициентом -0,2% на градус Цельсия (рис. 1.10). Из-за уменьшения удельной крутизны К , которая, в свою очередь уменьшается вследствие падения подвижности

Также из-за уменьшения подвижности растет сопротивление транзистора в проводящем состоянии с температурным коэффициентом примерно +0,7% на градусе Цельсия.

Рис. 1.9 - Пороговое напряжение МОПТ с каналами n- и p- типов с

концентрацией в подложке  (кривая 1) и  (кривая 2) [ 2 ]

Рис. 1.10 - Зависимость крутизны характеристики то тока стока I_c при различных

температурах и  [ 2 ]

1.3. Мощные СВЧ МОПТ

1.3.1. Эквивалентные схемы мощного СВЧ МОПТ

в режиме малого и большого сигналов

         В последние годы в различных радиоэлектронных СВЧ-устройствах наряду с мощными биполярными транзисторами начали широко использоваться и мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы). Разработанные СВЧ МОП-транзисторы отдают в нагрузку в непрерывном режиме  мощность P₁ = 250...300 Вт  на частоте 400...500 МГц и 100...150 Вт на частоте 1 ГГц и разрабатываются МОП-транзисторы с рабочими частотами до 2...3 ГГц и выходной мощностью в несколько десятков ватт, в том числе широкополосные с полосой частот в несколько октав. Реальность повышения значений Р₁ для СВЧ МОП-транзисторов обусловлена прежде всего возможностью значительного увеличения площади структуры, так как отрицательный температурный коэффициент тока стока, присущий полевым транзисторам, препятствует возникновению тепловой нестабильности и вторичного пробоя, в результате оказывается возможным параллельное соединение дискретных ячеек и кристаллов без использования стабилизирующих резисторов.

         Мощным ВЧ и СВЧ МОП-транзисторам  присущи и другие достоинства: высокое входное сопротивление в широкой полосе частот, отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей, линейность передаточной характеристики в достаточно большом диапазоне рабочих токов, меньший, чем у биполярных транзисторов, уровень шумовых излучений.

Рисунок 1.14 - Мощный СВЧ МОП-транзистор

а - малосигнальная эквивалентная схема; б – конструкция

         На рисунке 1.14, а показана обобщенная эквивалентная схема, наиболее полно учитывающая специфические особенности современных конструкций мощных СВЧ МОП-транзисторов при работе в режиме малого сигнала в пологой области выходных вольт-амперных характеристик. В ней мощный МОП-транзистор представлен элементами с сосредоточенными параметрами. На рисунке 1.14, б на примере одной из конструкций мощных МОП-транзисторов показано происхождение элементов схемы замещения и их местоположение в структуре прибора.

         Штриховой линией на рисунке 1.14, а выделены внутренние элементы структуры. Цепь  моделирует распределенное  сопротивление индуцированного канала и распределенную емкость затвор канал, а резистор  – объемное сопротивление высокоомной n^--области стока. Емкости затвор – исток, затвор – сток и стокового p-n^—-перехода на эквивалентной схеме представлены элементами С_зи, С_зс, С_с. Источник тока _K1 характеризует управляющее действие затвора на ток стока ( – комплексная крутизна; _K1 – амплитуда управляющего напряжения на емкости затвор – канал С_k). Резистор  отражает влияние стокового напряжения  на ток стока. К внешним элементам структуры относятся распределенные сопротивления электродов затвора и истока, представленные на эквивалентной схеме резисторами R_з и R_и, паразитные межэлементные емкости корпуса С_зk, С_зсk, С_сk и паразитные индуктивности электродов затвора, истока и стока (включая индуктивности внутренних соединительных проволочек и внешних выводов корпуса) L_з, L_и, L_c.

         Параметры эквивалентной схемы могут быть рассчитаны теоретически или определены экспериментально на основе измерений низкочастотных и высокочастотных параметров МОП-транзистора: крутизны, входной С₁₁, проходной С₁₂ и выходной С₂₂ емкостей, емкости затвор – исток С_зио, выходной проводимости g₂₂, сопротивления сток – исток в открытом состоянии (R_{си отк}), а также y- или z-параметров.

1.3.2. Общий подход к выбору конструкции и проектированию топологии структуры мощного кремниевого СВЧ МОП-транзистора

         В зависимости  от назначения мощные СВЧ МОП-транзисторы характеризуются диапазоном рабочих частот, выходной мощностью Р₁, коэффициентом усиления по мощности K_ур, коэффициентом полезного действия , уровнем нелинейных искажений и собственных шумов и т.д. Для генераторных транзисторов основным качественным критерием является уровень выходной мощности, отдаваемой прибором в нагрузку на определенной частоте или в диапазоне частот при максимально возможных K_ур и . Поэтому выбор конструкции и расчет топологии структуры мощного генераторного МОП-транзистора необходимо производить, исходя  прежде всего из требуемого значения Р₁. Выходная мощность Р₁ ограничена значениями максимально допустимых  напряжений исток – сток U_{CИ макс}, сток – затвор U_{CЗ макс}, максимально допустимой мощностью рассеяния Р_макс и максимально допустимым током стока I_макс. Без учета потерь мощности на объемном сопротивлении стока R_c выходная  мощность МОП-транзистора в критическом режиме класса В связана с I_макс и U_{CИ макс} следующим известным соотношением:

(U_{СИ макс} – U_ост)/8                                             (1.18)

где U_ост=R_{си отк} – остаточное напряжение стока; _макс – ток стока при U_зи=U_{ЗИ макс} и U_си=U_ост.

         Максимально допустимое напряжение U_{ЗИ макс} = 20...25 В, как правило, не является ограничивающим  фактором для выходной мощности СВЧ МОП-транзисторов. Оно может быть только превышено при работе транзистора с малыми углами отсечки (0<70^о).

         Требуемое значение U_{СИ макс} определяется напряжением источника питания цепи стока Е_с, которое для большинства СВЧ-усилителей не превышает 28 В. В недонапряженном и критическом режимах работы амплитуда напряжения на нагрузке примерно равна 2 Е_с, поэтому U_{СИ макс} и соответственно пробивное напряжение стока U_{СИ проб} с учетом необходимых запасов должно быть U_{СИ проб}  ≥ U_{СИ макс} ≈ (1,1...1,2) (2Е_с + U_ост)=65...75 В.

         Более высокие значения U_{СИ проб}  для мощных СВЧ МОП-транзисторов обычно нецелесообразны, так как при этом возрастают U_ост и R_{си отк}, что приводит к уменьшению K_{у р} и , особенно заметному на высоких частотах. Поэтому при разработке мощного СВЧ МОП-транзистора большое значение имеет правильный выбор исходного материала подложки.

         Для наиболее распространенных в настоящее время конструкций МОП-транзисторов с вертикальным n-каналом, изготовленных на кремниевых n^—-n⁺-подложках с однородным профилем легирования n^—-слоя,  оптимальный уровень легирования N_д, толщина  (расстояние  между металлургической границей стокового p-n-перехода  и нижним высоколегированным n⁺-слоем подложки) и удельное сопротивление  эпитаксиального n^—-слоя  для заданной величины U_{СИ проб}  могут быть определены как [38, 80]:

N_д = 60^1,33 ,            (1.19)

=                        (1.20)

=.                                   (1.21)

         Принимая во внимание  вид краевой защиты стокового p-n перехода (наличие полевой обкладки, охранного кольца), конфигурацию  и радиус кривизны его периферийных областей, а также реальный разброс толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев, при выбросе подложки необходимо иметь запас 15...20% по отношению к значениям параметров, рассчитанным по (11.19) – (1.21).

         При проектировании топологии структуры СВЧ МОП-транзисторов необходимо знать значение  и суммарную ширину канала Z, требуемые для реализации заданного уровня Р₁, а также минимальные значения длины канала l_k, толщины изолятора затвора  и концентрации акцепторов N_а в р-канальной области, обеспечивающие надежную работу прибора при требуемых значениях U_{СИ макс} и U_{ЗИ макс}.

         Ток стока при известных значениях Р₁ и  U_{СИ макс} в соответствии с (1.18) и учетом того, что U_ост=(0,1...0,2) U_{СИ макс,}  равен

I_макс=8Р₁/0,90...0,80)U_{СИ макс}=(8,9...10)Р₁/U_{СИ макс}.             (1.22)

         Толщина изолятора затвора  обычно выбирается из тех соображений, чтобы при U_{ЗИ макс} не была превышена максимально допустимая для термической двуокиси кремния напряженность поля E_проб=(2...6)^.10⁶В/см:

( U_{ЗИ макс}– U_пор.),      (1.23)

где U_пор – пороговое напряжение (напряжение открывания транзистора. Используя типичные значения U_пор=1...2 В, U_{ЗИ макс} = 20...30 В, E_проб=2 ^.  10⁶ В/см, из (1.23) получаем  = 0,08...0,15 мкм.

         Указанное значение U_пор является оптимальным для СВЧ МОП-транзисторов, работающих в режиме обогащения, так как при U_пор > 2 В заметно уменьшается эффективное управляющее напряжение затвора (U_{з эф}=U_зи–U_пор), а минимальное значение   U_пор ≥ 1 В гарантирует неизменность закрытого состояния транзистора при U_ЗИ = 0 и воздействии повышенных  температур вплоть до + 125^оС, при которых напряжение U_пор заметно убывает. Это условие накладывает ограничения на концентрацию акцепторов в р-канальной  области МОП-транзисторов.

         Пороговое напряжение U_пор связано с толщиной окисла  и концентрацией акцепторов N_a  следующим соотношением:

U_пор=,       (1.24)

где –  плотность положительного ионного заряда в затворном слое SiO₂; =12 – относительная диэлектрическая постоянная термического окисла SiO₂; n_i = 1,4 ^. 10¹⁰см^-3 (при Т = 300 К) – концентрация носителей в собственном кремнии; – разность работ выхода металла затвора и полупроводника р-типа. Подставляя в (1.24) значения U_пор=1...2 В, (2...5) х 10^-8Кл/см²,

=(1...1,5)^.10^-5см, =-0,9 В (для затвора из алюминия), получаем N_a = (2…6)^.10¹⁶см^-3.

         Минимальная длина канала l_k должна быть выбрана такой,  чтобы при U_{CИ макс} = U_{CИ проб} исключить вероятность сквозного обеднения канала пространственным зарядом стокового перехода. Расчет l_k ( U_{CИ проб}) можно проводить по формуле для ширины резко асимметричного n⁺р-перехода:

                                                       (1.25)

         Из (1.25) следует, что при U_{CИ макс} = 60 В и N_a = 6 ^. 10¹⁶см^-3, l_k = 1,1 ^. 10^{-4 см. При таких значениях} l_k электроны движутся в канале с дрейфовой скоростью насыщения V_S=(4,5...6)^.10⁶ см/с, которая достигается при напряженностях продольного поля Е = (2...3) ^. 10⁴ В/см, т.е. при относительно небольших напряжениях U_си = El_k = (1…1,5) ^. 10^-4 х (2...3) ^. 10⁴ = 2...4,5 В.

         Влияние поперечного и продольного полей на подвижность носителей в канале обуславливает линейный характер зависимости I_c(U_зи) мощных СВЧ МОП-транзисторов в широком диапазоне напряжений  U_зи , которую на крутом участке выходных характеристик можно приближенно описать соотношением

 ,                    (1.26)

где  – подвижность электронов в канале   в слабом поле ();  = 0,0534 В^-1 – эмпирический коэффициент, характеризующий уменьшение подвижности  под действием поперечного поля затвора (U_зи – U_пор)/, а член [1+U_си/l_kU_cи] отражает зависимость  от продольного поля, созданного напряжением ;  – коэффициент, характеризующий влияние подложки р-типа на ток стока:

                                      (1.27)

         При заданном напряжении U_зи ток стока достигает своего максимального значения при напряжении насыщения

х

 х                                   (1.28)

         Приравнивая выражения (1.22) и (1.26) (при U_си = U_{си нас}), получаем формулу для расчета минимальной ширины канала W при заданных значениях Р₁, U_{CИ макс}, U_{ЗИ макс} – U_пор = 20 В,  = 600 см²/В^.с:

(1.29)                 

 

1.4. Полевые транзисторы с затвором Шотки

1.4.1.Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ) принадлежит к классу полевых транзисторов с барьерным переходом. Простейшая структура ПТШ представлена на рисунке 1.15. На высокоомной (полуизолирующей) i^*- GaAs подложке I (  10⁷…10⁹ Ом^.см) методами эпитаксии или ионного легирования сформирован активный слой n- GaAs толщиной а . Электроды стока (2) и истока (2) имеют омический контакт с активным n-слоем. Электрод затвора 3 образует с n-слоем контакт типа Шоттки, под которым формируется обедненная электронная область пространственного заряда (ОПЗ)  толщиной Xd. В результате сток и исток соединены между собой проводящим электрически нейтральным каналом 4 толщиной а - xd. При изменении потенциала затвора изменяется толщина ОПЗ и, следовательно, толщина канала. Если между стоком и истоком приложено напряжение

U_cи=U_c-U_и,

то изменение напряжения между затвором и истоком

U_зи=U_з-U_и

приводит  к изменению тока стока I_c вследствие изменения проводимости канал Принципы действия ПТШ и МОП-транзистора весьма схожи: в обоих приборах напряжение сток-исток модулирует проводимость канала. Однако имеются и существенные различия а.

                 

Рисунок 1.15 - Простейшая структура ПТШ

         В n-канальном МОП-транзисторе канал представляет собой приповерхностную область полупроводника, легированную акцепторами и обогащенную электронами вследствие эффекта поля. Толщина канала имеет порядок дебаевской длины экранирования, а модуляция его проводимости напряжением U_зи осуществляется за счет изменения концентрации электронов. Емкость затвор-канал определяется толщиной подзатворного диэлектрика и не зависит от напряжения между затвором и каналом.

         В ПТШ канал представляет собой  электронейтральную область, в которой положительный заряд доноров компенсирован зарядом основных носителей (электронов). Модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения толщины канала, которая обычно много больше дебаевской длины экранирования. Канал отделен от поверхности слоем ОПЗ, толщина которого зависит от напряжения между затвором и каналом и определяет барьерную емкость затвор – канал. Как правило, толщина ОПЗ в ПТШ больше толщины подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторе. Поэтому управляющее действие затвора проявляется несколько слабее, что снижает крутизну ВАХ. Однако во столько же раз снижается емкость затвор – канал. Кроме этого, в канале ПТШ подвижность электронов не подвержена действию поверхностных дефектов, как это имеет место в МОП-транзисторе.

         Несмотря на отмеченные различия, ВАХ ПТШ и МОП-транзистора качественно весьма схожи. Основное различие связано с тем, что в МОП-транзисторе затвор электрически изолирован от канала диэлектриком и ток затвора практически равен нулю. В ПТШ переход затвор – канал имеет диодную характеристику и при положительных напряжениях U_зи ток затвора может быть достаточно большим.

1.4.2. Пороговое напряжение

При U_си = 0 (I_c = I_и  = 0) потенциалы всех точек канала одинаковы, и 1 Х_dn=Х_dc . Толщина ОПЗ определяется напряжением U_зи

X_d=[2ee₀(_Б-U_зи)/qN_d]^1/2                                                                       (1.19)

где N_d  - концентрация доноров в однородно легированном активном слое; ϕ_Б – контактная разность потенциалов между затвором и активным слоем.

Пороговое напряжение U_пор. соответствует напряжению затвор – исток, при котором толщина канала обращается в нуль, т.е. a=Xd . Таким образом, следует:

U_пор.=

где

                                 (1.20)

напряжение перекрытия канала, численно равное пороговому напряжению при

         Величина барьерного потенциала слабо зависит от материала затвора, так как определяется в основном поверхностными состояниями, и составляет обычно около 0,8 В. Как будет показано ниже, крутизна ВАХ ПТШ пропорциональна произведению подвижности электронов в канале на концентрацию доноров. Для увеличения крутизны желательно повысить концентрацию доноров, однако при этом снижается подвижность, уменьшается толщина ОПЗ и возрастает емкость затвор – канал. Оптимальное значение  лежит в диапазоне (1…5)^.10¹⁷см^-3. При фиксированных значениях  и  величина U_пор. соответствует толщине активного слоя

         При  , пороговое напряжение отрицательно, и в равновесном состоянии  канал существует. Такие ПТШ называются нормально открытыми (встроенный канал). При  пороговое напряжение положительно, и для образования канала необходимо приложить напряжение   Такие ПТШ называются нормально закрытыми (индуцированный канал). Таким образом, толщина активного слоя является главным параметром, определяющим величину порогового напряжения.

1.4.3. Сравнительные характеристики  ПТ с управляющим

p-n-переходом и ПТШ

         Принцип действия полевого транзистора (ПТ) с управляющим p-n-переходом аналогичен принципу действия ПТШ, только вместо барьерного контакта Шоттки для модуляции толщины канала используется p-n-переход.

         Под действием напряжения затвор-исток изменяется толщина ОПЗ (p-n-перехода), модулируя  ток стока.

         Изменение толщины канала соответствует изменению толщины n-области p-n-перехода X_dn. Соотношение между толщиной n- и р- областей перехода определяется результирующими концентрациями примеси в затворе N_a и канале  N_d  :

                                             (1.21)

         Для ПТ с управляющим p-n-переходом  остаются справедливыми все соотношения, полученные для порогового напряжения и ВАХ ПТШ с заменами    где

                                                      (1.22)

контактная разность потенциалов перехода затвор-канал. При  ВАХ ПТ с управляющим p-n-переходом и ПТШ идентичны. Практически величина  составляет 0,9...0,95, что приводит к соответствующему снижению крутизны.

         ПТ с управляющим p-n-переходом имеют большие, чем ПТШ, значения краевых емкостей  и  и , которые включают торцевые площади p-n-перехода.

         Преимуществом ПТ с управляющим p-n-переходом является большая величина контактной разности потенциалов  по сравнению с барьерным потенциалом . Величина  составляет обычно около 1,2 В, что существенно расширяет рабочий диапазон напряжений затвор-исток нормально закрытых ПТ.

         Другим важным преимуществом является возможность создания в ИМС комплементарных транзисторных пар с каналами n- и р-типа. При использовании ПТШ такая возможность практически отсутствует из-за трудностей создания высококачественных контактов Шоттки к . Заметим, что р-канальные ПТ на арсениде галлия не обладают высоким быстродействием ввиду низкой подвижности дырок. Однако цифровые ИМС на комплементарных ПТ с управляющим p-n-переходом обладают исключительно высокой радиационной стойкостью. Их радиационная стойкость значительно выше, чем биполярных транзисторов (где существенную роль играют неосновные носители, концентрация которых изменяется при облучении) и МОП-транзисторов (чьи характеристики деградируют из-за радиационных дефектов в окисле и на поверхности).

Люди также интересуются этой лекцией: 48 Приготовление фаршированной рыбы.

         Недостатком ПТ с управляющим p-n-переходом является возможная инжекция дырок в n-канал при сильном отпирании перехода. Инжектированные дырки обладают низкой подвижностью, и их рассасывание замедляет процесс выключения ПТШ ПТ.

         Наиболее перспективным технологическим методом создания ПТ с управляющим p-n-переходом является ионная имплантация  донорных и акцепторных примесей в чистую подложку . В качестве акцепторов применяются бериллий или магний.

         Последовательность технологических операций при создании комплементарных ПТ с управляющим p-n-переходом представлена на рисунке 1.16. Формирование слоев n⁺-затвора р-канального ПТ, n⁺-областей каналов, р⁺-областей стока и истока р-канального ПТ, а также р⁺-затвора n-канального ПТ осуществляется путем четырех последовательных имплантаций ионов Si⁺ и Mg⁺ через реактивно распыленный слой  (100 нм) в фоторезистивную маску. Для создания омических контактов к р⁺-областям используются слои  или

Рисунок 1.16 - Структура комплементарных полевых транзисторов с управляющим переходом и последовательность технологических операций ее изготовления: 1 -  (100 нм);   2 - фоторезист; 3 – затвор р-канального транзистора; 4 – сток и исток n-канального  транзистора; 5 – затвор  n-канального  транзистора; 6 – сток и исток р-канального  транзистора.

а – имплантация n⁺ (Si⁺); б – имплантация ;в – имплантация ; г – имплантация .