gurtov_v_a_tverdotelnaya_elektronika

Глава 6. Полевые транзисторы

Быстродействие ПТ с затвором в виде p-n-переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей СG затворных p-n-переходов через сопротивление канала RK. Величина времени заряда τ = CG·RK. Емкость затвора СG и сопротивление канала RK равны:

Выражение (6.118) имеет минимальное значение при ширине обедненной области lоб = H/4, при этом граничная частота:

При значениях H = L для кремния (εs = 11,8) с удельным сопротивлением ρ, равным ρ = 1 Ом·см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.

6.16. СВЧ-полевые транзисторы с барьером Шоттки

6.16.1. GaAs-полевой транзистор с барьером Шоттки

Полевые транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник получили наибольшее распространение при производстве интегральных схем на основе арсенида галлия. Арсенид-галлиевые микросхемы имеют высокое быстродействие и могут работать в области сверхвысоких частот. Также арсенид-галлиевые полевые транзисторы используются в выходных каскадах усилителей мощности [2, 24, 25].

Топология полевых транзисторов с управляющим переходом металл – полупроводник точно такая же, как и топология полевых транзисторов с затвором в виде p-n- перехода, приведенная на рис. 6.33. Отличие наблюдается только в том, что вместо сильнолегируемых областей n+ используются слои металла (сплавы вольфрама W, титана Ti с последующим напылением платины Pt и золота Au для n-GaAs), обеспечивающие формирование барьера Шоттки. Для таких транзисторов используют аббревиатуру ПТШ.

На рис. 6.35 приведена схема мощного полевого транзистора на основе арсенида галлия с полной шириной затвора W = 6 мм.

При его реализации используется технологический процесс монтажа методом «перевернутого кристалла». Для установки кристалла на тепловод используют столбиковые выводы. Такой способ монтажа обеспечивает высокую рассеиваемую мощность и низкие паразитные индуктивности, важные для работы в СВЧ-диапо- зоне. На рис. 6.36 показана конструкция мощного СВЧ-GaAs-полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки.

Основные соотношения, описывающие вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим переходом металл — полупроводник, остаются теми же самыми, как и для полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода (уравнения (6.112) для области плавного канала и (6.115) для области отсеченного канала).

Столбиковые выводы истока (Au)

б

Рис. 6.36. Конструкция мощного СВЧ-GaAs-полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки [24]

На рис. 6.37 приведены экспериментальные и расчетные выходные и переда-

точные характеристики полевых транзисторов на GaAs, используемых в цифровых

интегральных схемах.

Контрольные вопросы

GaAs, GaN и других полупроводниковых соединениях. Биполярные транзисторы с гетеропереходом ГБТ на основе GaAs также сохраняют свои позиции. В целом свыше 80% МИС СВЧ-диапазона базируются на GaAs и тройных полупроводниках AlGaAs, InGaAs на его основе [22, 27].

СВЧ-транзисторы на основе кремниевой технологии занимают 20% рынка сотовой телефонной связи. Биполярные, МДП- и Би-КМОП-транзисторы обладают хорошими характеристиками в диапазоне частот до 3 ГГц. Основные достоинства кремниевых приборов достаточно очевидны — отработанность технологии, простота интеграции аналоговых и цифровых схем на одном кристалле, низкая себестоимость. На рис. 6.40 приведена базовая структура мощного СВЧ-МДП-полевого транзистора, созданного по технологии МОП с боковой диффузией (в английской аббревиатуре LDMOS).

Контакт стока (двойная металлизация)

p+-Si подложка

Металлизация

Рис. 6.40. Базовая структура мощного СВЧ-МДП-полевого транзистора, созданного по технологии МОП с боковой диффузией [22]

МДП-транзистор, приведенный на рис. 6.40, имеет несимметричную структуру. Особенности конструкции дают возможность уменьшить выходную емкость ис- ток-сток, увеличить напряжение пробоя стока и предотвратить инжекцию горячих электронов в подзатворный окисел. Слаболегированный p-слой, выращенный на сильнолегированной подложке, предназначен как раз для этих целей, а тонкая p-об- ласть под электродом затвора определяет пороговое напряжение и напряжение отсечки. Сильнолегированная р+-область со стороны истока получила название «sinker» и обеспечивает контакт к слаболегированной р-области, находящейся под затвором.

Контрольные вопросы

6.1.Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным ка-

налом?

6.2.Что такое пороговое напряжение МДП-транзистора?

6.3.Как влияют заряды в окисле и на поверхностных состояниях на пороговое напряжение?

6.4.Чему равен поверхностный потенциал при пороговом напряжении?

6.5.С чем связан наклон ВАХ в области насыщения?

6.6.Дайте определение крутизны МДП-транзистора.

6.7.Как соотносятся крутизны по затвору и подложке?

6.8.Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.

Глава 6. Полевые транзисторы

Задачи

6.1.Найти пороговое напряжение VT n-канального МОП-транзистора с алюминиевым затвором, если уровень легирования подложки равен ND = 1015 см–3, толщина диэлектрика dox = 100 нм, заряд в окисле Qox = +10–8 Кл·см–2, поверхностные состояния отсутствуют.

6.2.МОП-транзистор с отношением ширины к длине канала W/L = 5, толщиной

затворного окисла 80 нм и подвижностью электронов в канале μn = 600 см2·В–1·с–1 предполагается использовать как управляемый резистор. Рассчитать превышение

затворного напряжения VG над пороговым напряжением VT, при котором сопротивление транзистора R при малых напряжениях на стоке Vd будет равно 2,5 кОм.

6.3.В запоминающем устройстве с плавающим затвором нижний изолирующий

слой имеет толщину d1 = 10 нм и относительную проницаемость ε1 = 4, параметры верхнего слоя: d2 = 100 нм и ε2 = 10. Плотность тока в нижнем слое J = σE, где

σ= 10–7 Ом–1·см–1, в верхнем слое током можно пренебречь. Вычислить измене-

ние порогового напряжения VT, считая, что к затвору приложено 10 В в течение t = 0,25 мкс.

6.4.Дан ПЗС-прибор с затворами 5×5 мкм для формирования изображения. Пороговое значение детектируемого заряда составляет 2,5·103 электронов на элемент изображения, а заряд каждого элемента считывается и обнуляется каждые 10 мс. В термодинамическом равновесии поверхностная плотность зарядов в инверсион-

ном слое равна 1·1013 см–2. Рассчитать время жизни неосновных носителей заряда τ0 в кремнии p-типа с ρ = 12 Ом·см, учитывая, что доля тепловой генерации не превышает 5 % от детектируемого порогового заряда.

6.5.Рассчитать плотность поверхностных состояний Nss, при которой скорость поверхностной генерации Is для полностью обедненной поверхности вдвое превышает скорость генерации в приповерхностной обедненной области IF. Считать, что сечения захвата носителей заряда равны σt = 10–15 см2, тепловая скорость υt = 107 cм/с, постоянная времени τ = 1 мкс, ширина ОПЗ W = 1·10–6 см.

ГЛАВА 7

ТИРИСТОРЫ

7.1. Общие сведения

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рис. 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р1-n1-р2-n2-прибор, содержащий три последовательно соединенных p-n-перехода (П1, П2 и П3). Обе внешние области называют эмиттерами (Э1 и Э2), а внутренние области — базами (Б1 и Б2) тиристора (рис. 7.1а). Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 — коллекторным переходом.

а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма при нулевом напряжении; в) зависимость напряженности электрического поля от координаты

7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

На рис. 7.2 показана схема триодного тиристора с управляющими электродами при его приборной реализации и характеристики тиристора. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б1 и Б2) тиристора, как показано на рис. 7.2а.

Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей. Поэтому корпуса тиристоров, как правило, являются достаточно массивными и в ряде случаев снабжены радиаторами для улучшения теплоотвода. На рис. 7.2б приведена топология корпуса тиристора малой мощности. Для коммутации мощностей важными параметрами являются время включения и выключения тиристора. Характерные значения этих времен для тиристоров лежат в микросекундном диапазоне. На рис. 7.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рис. 7.3. В качестве исходного материала выбрана подложка n-типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+-n1-p2-n2+.

NA,D, см–3

1020

1018

1016

1014

x

Рис. 7.3. Профиль концентрации легирующей примеси (NA,D) в эмиттерах

ибазах тиристора [10]

7.2.Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рис. 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные