акцепторов. Подложки, изготовленные из такого материала, обладают повышенным удельным сопротивлением и называются полуизолирующими.

Рис. 20.9. Структура МЕП-транзистора:1 – подложка, 2 – диффузионные области стока и истока, 3 – область канала, 4 – вывод затвора, 5 – выводы стока и истока, 6 – изолирующий слой, 7 – область пространственного

заряда

У поверхности подложки методом ионного легирования формируют сильнолегированные области 2 истока и стока n+-типа, а затем – тонкий слой канала 3 n-типа толщиной 0,1 мкм. Концентрация доноров в канале составляет 1017см–3. В качестве легирующих примесей (доноров) обычно используют кремний, селен, серу и др.

На поверхность подложки над слоем 3 наносят металлический элемент затвора 4, например, в виде сплава титан – вольфрам, металлические электроды 5, для которых применяют композицию золото-германий, которые обеспечивают омические контакты к областям истокам и стока. На поверхность подложки, не используемую для контактов, наносят слой диэлектрика 6, например диоксида кремния.

Металлический электрод затвора образует со слоем 3 выпрямляющий контакт Шотки, имеющий контактную разность потенциалов 0,8 В. Проводящий канал между истоком и стоком располагается в слое 3 и ограничен сверху обедненной областью барьера Шотки, а снизу – подложкой. Толщина проводящего канала равна

где dопз – толщина обедненной области 7.

20.4. Принцип действия МЕП-транзистора

Между затвором и истоком подается управляющее напряжение UЗИ, на сток – положительное напряжение UСИ. При изменении управляющего

напряжения изменяются толщина обедненного слоя перехода Шотки и как следствие, толщина проводящего канала его проводимость и ток стока:

403

Если напряжение на затворе равно пороговому Uпop, то граница обедненного слоя 7 достигает полуизолирующей подложки (толщина канала и ток стока равны нулю). Пороговое напряжение определяется из условия:

где φк – равновесная высота потенциального барьера контакта металл– полупроводник; ε – относительная диэлектрическая проницаемость арсенида галлия (13,1).

Пороговое напряжение МЕП-транзисторов зависит от толщины, степени

легирования канала и расстояния от затвора до канала и может составлять от -4 В до +0,2 В. При малой толщине d0 слоя 3 пороговое напряжение положительно. Роль подзатворного диэлектрика выполняет обедненная электронами область пространственного заряда (ОПЗ) под контактом Шотки.

Если Uпор < 0, то при отсутствии напряжения на затворе транзистора

канал является проводящим и транзистор называется нормально открытым (он аналогичен МДП-транзистору со встроенным каналом.)

При Uпор > 0 и нулевом напряжении на затворе канал полностью перекрыт обедненной областью перехода, и транзистор является нормально закрытым (он аналогичен МДП-транзистору с индуцированным каналом).

Сток-затворные ВАХ МЕП-транзисторов представлены на рис. 20.10.

Рис. 20.10. Сток-затворные характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) МЕП-транзисторов

Следует отметить, что в отличие от МДП транзисторов существует предельное значение напряжения на затворе UЗИмакс = 0,6 В, при превышении которого появляется нежелательный ток в цепи затвора, так как открывается

404

переход металл-полупроводник. Поэтому ток стока такого транзистора ограничен величиной IСмакс. Для нормально закрытых транзисторов при тех же параметрах канала величина максимального тока стока существенно ниже.

Для транзисторов с длинным каналом крутизна сток-затворной

где b – ширина канала, длина затвора l играет роль эффективной длины канала.

Благодаря более высокой подвижности электронов обеспечиваются большие, чем в кремниевых МДП-транзисторах, значения крутизны при тех же размерах. В отличие от кремния для арсенида галлия характерна меньшая критическая напряженность поля (около 3·103 В/см), при которой дрейфовая скорость достигает насыщения. Поэтому в арсенид-галлиевых МЕП-

транзисторах эффект сильного поля проявляется при большей длине канала и меньшем напряжении на стоке, чем в кремниевых МДП-транзисторах. В этом

случае вследствие уменьшения подвижности с ростом напряженности поля реальное значение крутизны получается ниже, чем следует из выражения

(20.12).

В транзисторах с коротким каналом дрейфовая скорость достигает насыщения, сток-затворная характеристика близка к линейной, а крутизна слабо зависит от напряжения на затворе. Ее можно оценить по формуле:

При этом большее значение крутизны арсенид-галлиевых МЕП- транзисторов по сравнению с кремниевыми МДП-транзисторами (при тех же размерах) обусловлено большей скоростью насыщения, приблизительно равной 2·107 см/с.

При малой длине канала в МЕП-транзисторах проявляются эффекты короткого канала. Пороговое напряжение в этом случае снижается при уменьшении длины канала и увеличении напряжения на стоке. Качественно эти зависимости имеют такой же вид, как для МДП-транзисторов.

При достаточно высоком напряжении на стоке может наблюдаться смыкание стокового и истокового переходов, приводящее к появлению в цепи стока тока Iсм, изменяющего вид стоковых характеристик. Однако критическая напряженность поля, при которой дрейфовая скорость достигает насыщения, в арсениде галлия значительно ниже, чем в кремнии. Поэтому этот эффект сильнее других влияет на параметры и форму характеристик.

Насыщение дрейфовой скорости приводит к тому, что крутизна при дальнейшем повышении напряжения на затворе постоянна, а на сток- затворной характеристике (рис. 20.10) появляется линейный участок.

В отличие от кремниевых МДП-транзисторов с индуцированным каналом в МЕП-транзисторе очень малы паразитные емкости затвор – исток и затвор – сток, так как затвор не перекрывает область 2. Кроме того, малы и

405

барьерные емкости сток–подложка, исток–подложка. Поскольку подложка является полуизолирующей, концентрация примесей в ней очень низкая, а толщина обедненной области переходов велика.

Большое значение имеет только емкость затвор – канал Сзк, представляющая собой барьерную емкость перехода металл–полупроводник. При Uзи > Uпор ее можно оценить по формуле:

Для снижения этой емкости следует уменьшить длину затвора.

Предельная частота крутизны определяется временем пролета электронов через канал. При малой длине затвора l = 0,5 мкм получаем f >> 60 ГГц.

Повышение быстродействия арсенид-галлиевых цифровых микросхем

по сравнению с кремниевыми обусловлено главным образом увеличением крутизны используемых в них МЕП-транзисторов, а также уменьшением времени пролета и паразитных емкостей транзисторов.

Рис. 20.11. Структура современного МЕП-транзистора

Некоторое повышение предельной частоты достигается использованием специального δ-слоя (рис. 20.11), представляющего собой тонкий, сильно легированный слой n+-GaAs, расположенный между нелегированным активным слоем и подложкой. В такой структуре электроны в канале группируются вокруг тонкого легированного слоя, что приводит к повышению их подвижности.

Улучшение частотных свойств МЕП-транзисторов связано не только с высокой подвижностью электронов в канале, но и с высокими диэлектрическими свойствами полуизолирующей GaAs подложки. По сравнению с кремниевыми MДП-транзисторами в МЕП-транзисторах существенно меньше проявляются такие вредные эффекты короткого канала, как изменение порогового напряжения, управление по подложке, смыкание канала, а также повышение выходной проводимости.

406