Gurtov_TE

Столбиковые выводы истока (Au)

б

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

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

На рисунках 6.37 приведены экспериментальные и расчетные выходные и передаточные характеристики полевых транзисторов на GaAs, используемых в цифровых интегральных схемах.

291

Рис. 6.37. Экспериментальные (о) и расчетные (сплошные линии) характеристики полевых транзисторов на GaAs [24]

а) выходные вольтамперные характеристики; б) передаточные характеристики при напряжении исток-сток 2В

292

Для расчета характеристик ПТШ использованы следующие параметры ток насыщения барьера Шоттки jS = 0,255 А/м2, концентрация доноров в канале ND = 7,25·1016 см-3, ширина W и длина L затвора W = 20 мкм, L = 0,7 мкм.

6.16.2. GaN полевой транзистор с гетеропереходом

Дальнейшее развитие полевых транзисторов с затвором в виде барьера Шоттки идет по направлению расширения типов используемых полупроводниковых материалов, наиболее важным из которых является нитрид галлия GaN. Нитрид галлия принадлежит к прямозонным полупроводникам и имеет большую ширину запрещенной зоны Eg = 3,4 эВ.

По таким параметрам, как мощность и частота для СВЧ – диапазона, максимальные рабочие температуры, транзисторы на основе нитрида галлия превосходят по своим параметрам СВЧ-транзисторы на основе традиционных полупроводников: кремния Si, твердых растворов кремний – германий Si – Ge, арсенида галлия GaAs, а также таких полупроводниковых соединений как карбид кремния SiC и фосфид индия InP. На рисунке 6.38 приведена диаграмма, характеризующая области максимальной мощности и частоты для приборов на основе различных полупроводниковых материалов и иллюстрирующая доминирующие позиции транзисторов на основе GaN.

Частота, ГГц

Рис. 6.38. Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе различных полупроводниковых материалов [22]

Приборная реализация полевых транзисторов с затвором в виде барьера Шоттки на основе GaN использует в качестве основы базовую структуру ПТШ с гетеропереходом (ГПТШ). На рисунке 6.39 приведена типовая структура полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки и гетеропереходом на основе нитрида галлия. В полевых транзисторах с гетеропереходом основным элементом является область двумерного электронного газа (2D),

293

локализованная в ОПЗ гетероперехода Al xGa1-x N – GaN. Свойства двумерного электронного газа подробно описаны в главе 13, а зонная диаграмма гетероперехода с двумерным электронным газом приведена в главе 2 на рисунке

2.24.

Рис. 6.39. Базовая структура полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки и гетеропереходом на основе нитрида галлия (ГБТШ) [22]

Двумерный электронный газ локализован в зоне гетероперехода между барьерным слоем AlxGa1-xN и нелегированным слоем GaN, являющимся канальным слоем полевого транзистора. Поскольку двумерная потенциальная яма находится в нелегированном слое GaN, где нет примесных центров рассеяния, то подвижность электронов в 2D слое составляет µn = 2000 см2/В·с. Слой толщиной (1-3) нм из высокоомного нелегированного AlxGa1-xN (так называемый спейсер) формируется для уменьшения поверхностного рассеяния 2D электронов на примесях барьерного слоя.

Омические контакты истока и стока в ГБТШ обеспечивают через барьерный слой контакт с 2D слоем, высокая концентрация носителей в котором осуществляется, как благодаря электростатическому полю гетероперехода, так и пьезоэффекту на границе GaN и AlN.

Металл затвора образует с верхней частью барьерного слоя AlxGa1-xN шоттковский контакт и управляет проводимостью канала ГПТШ. Для уменьшения влияния поверхностных состояний барьерный слой пассивируют нанометровым Cap-слоем.

Буферный слой высокоомного GaN толщиной 2 мкм используется в качестве изолирующей прослойки между канальным слоем ГПТШ и подложкой, на которой сформирована транзисторная структура.

СВЧ-приборы на основе нитрида галлия показывают рекордные значения удельной плотности выходной мощности. Компанией Cree разработан GaN ГПТШ с затвором длиной L = 0,55 мкм и шириной W = 0,25 мм, выходная мощность которого в непрерывном режиме на частоте 4 МГц составляет 8 Вт.

294

Соответственно, удельная выходная мощность транзистора равняется 33Вт/мм. При этом рабочее напряжение исток-сток равнялось 120 В, а максимальная плотность тока в канале достигала 1,2 А/мм.

6.16.3. Монолитные интегральные схемы с СВЧ полевыми транзисторами

СВЧ-транзисторы как биполярные, так и полевые являются базовыми элементами твердотельных монолитных интегральных СВЧ-микросхем (МИС). В отличие от кремниевых интегральных схем, используемых в цифровой и аналоговой электронике и имеющих высокий уровень интеграции, в твердотельных СВЧ-микросхемах степень интеграции низкая.

Основное применение СВЧ МИС находят в активных фазированных антенных решетках (АФАР) для радиолокационных станций, в спутниковых трансиверах и в системах сотовой телефонной связи.

Базовой технологией для монолитных интегральных схем является технология ПТШ на GaAs, описанная в разделе 6.16.1, а также ее развитие в виде ГПТШ на 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 рисунке 6.40 приведена базовая структура мощного СВЧ МДП полевого транзистора, созданного по технологии МОП с боковой диффузией (в английской аббревиатуре LDMOS).

295

Контакт стока (двойная металлизация)

Контакт истока

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 рисунке 6.40 имеет несимметричную структуру. Особенности конструкции таковы, чтобы уменьшить выходную емкость исток-сток и 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-область 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 каналом?

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.

296

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 изменение 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 инверсионном 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.

297

Глава 7. Тиристоры

7.1. Общие сведения

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

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

298

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

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и на-

зывается диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

На рисунке 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, Б2) тиристора, как показано на рисунке 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 радиа-

299

торами для улучшения теплоотвода. На рисунке 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 рисунке 7.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

Рис. 7.2. Схема (а), приборная реализация (б), характеристики (в) и схематическое обозначение (г) триодного тиристора [80]

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффу- зионно-сплавном приборе показан на рисунке 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+.

300