Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

302	Гл. 4. Полевые транзисторы

в них чаще всего используется твердый раствор InxGai-^As (толщина 100 А, х ~ 0.3), в котором значения vs и д п заметно выше, чем в GaAs, а более высокая величина АЕС в гетеропере-

ходе AlGaAs/InGaAs обеспечивает получение высокого значения гц (до 4 - 1012 см"2 ).

В последнее время большой интерес вызывают разработки НЕМТ-транзисторов на основе InAs — полупроводника, в котором vs и Цп примерно вдвое выше, чем в твердом растворе Ino.53Gao.47As, согласованном по параметру решетки с InP. Так, на основе гетеропереходов InAs/AISb уже созданы опытные приборы, которые при сравнимом с приборами на основе Ino.53Gao.47As быстродействии потребляют в 5 - 10 раз меньшую мощность.

Другим перспективным материалом для НЕМТ-транзисторов является структура на основе гетероперехода GaN/AlGaN. Исследование опытных образцов этих структур выявило ряд их интересных свойств, и прежде всего, возможность получения

необычно высокой (>101 3

с м - 2 ) поверхностной плотности

заряда

в канале, которая намного выше, чем в структуре

GaAs/AlGaAs.

Это оказывается возможным за счет поляризационных

явле-

ний

(решетка GaN

является

полярной)

и

пьезоэлектрических

п о л е й , в о з н и к а ю щ и х

в механически

напряженном

слое

вблизи

г е т е р о г р а н и ц ы .

Вместе с высокой напряженностью

поля

пробоя

(3,5 М В / с м ) , хорошей теплопроводностью

и высокой

скоростью

н а с ы щ е н и я

э л е к т р о н о в в

GaN (2,5 -

107

см/с) это

предопреде-

л я е т п е р с п е к т и в н у ю

для

этих

структур

область

применения —

с о з д а н и е м о щ н ы х полевых транзисторов

[207].

В н а с т о я щ е е

время НЕМТ-транзисторы являются

наиболее

в ы с о к о ч а с т о т н ы м и и быстродействующими

среди всех типов по-

л е в ы х т р а н з и с т о р о в ,

причем

параметры

транзисторов

на

осно-

ве

InP заметно

превосходят

параметры

транзисторов

на

осно-

в е

G a A s .

На основе гетеропереходов

A l z I n i - x A s - I n i G a i - z A s -

InP

были

созданы

транзисторы с предельной

частотой

/ г =

= 562 ГГц [208]. Использование НЕМТ-транзисторов в цифровых ИС позволяет уменьшить время задержки распространения до 3,2 пс [209]. В настоящее время налажен промышленный выпуск НЕМТ-транзисторов. Эти приборы характеризуются очень низким уровнем шума. Например, транзисторы MGF4951А

иMGF4953A фирмы Mitsubishi работают на частотах до 26 ГГц

иимеют шум-фактор 0,4 дБ на частоте 12 ГГц; еще более низкий

коэффициент шума имеют НЕМТ-транзисторы на основе InP. По этой причине НЕМТ-транзисторы используются в системах спутниковой связи, радиоастрономии, в мобильных телефонах.

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки

303

На основе НЕМТ-транзисторов из InP предполагают создавать цифровые ИС для будущих систем оптоволоконной связи со скоростью передачи 40-100 Гбит/с.

Полевые транзисторы с управляющим

р-п-переходом.

Сопоставляя рис. 4.26 и рис. 4.27, нетрудно заметить, что если разделить полевой транзистор с управляющим р-п-переходом на две части по плоскости симметрии, то каждая из полученных половинок окажется эквивалентной полевому транзистору с барьером Шоттки с единственным отличием, состоящим в том,

/с

линеиная область область насыщения

h.нас

Vpo/4

v; - Vpo/2

а	VcHBC.
0		VC

Ic, мА

2,0

1,6

1,2

0,8

0,4

0	- 5 - 1 0 - 1 5 - 2 0 - 2 5 - 3 0 К , В

Рис. 4.30. Выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п-переходом: а — качественный вид; б — транзистор 2N2497

что в транзисторе с управляющим р-п-переходом вместо барьера Шоттки используется р-п-переход. Поэтому выражение для вольт-амперной характеристики полевого транзистора с управляющим р-п-переходом совершенно аналогично формуле (4.27), за исключением того, что ток стока следует увеличить в два

304 Гл. 4. Полевые транзисторы

раза, а вместо встроенного потенциала Vfo использовать контактную разность потенциалов фк, рассчитываемую по формуле (1.4).

На рис. 4.30 а	показан качественный вид выходных вольт-
амперных характеристик		полевого	транзистора,	рассчитанных
по формуле (4.27),	а на	рис. 4.306	— характеристики промыш-
ленного полевого	транзистора с управляющим			р-п-переходом.

Экспериментальные зависимости хорошо соответствуют расчетным за исключением области высоких напряжений на стоке, при которых ток стока резко возрастает (это связано с пробоем перехода затвор-сток).

р-канал

1мм

затвор

			2d
			S
а	Si02	з2 и з2	ю

SiOa

и з2

в

Рис 4 31 Конструкции первых отечественных полевых транзисторов КП102 (а, б), КП103 [в, г) и КП302 (д)

При изготовлении первых полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом основная трудность состояла в том, чтобы создать

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 305

достаточно тонкий канал и при этом обеспечить необходимую механическую прочность конструкции. Некоторые решения этой проблемы

представлены		на рис. 4.31.		В конструкции		транзистора	КП102		с	ка-
налом р-типа		проводимости		на одной	стороне пластины		из	Si	с п	~
~ 5 • 1016 с м " 3 с помощью диффузии акцепторной примеси								создается
слабо легированная область р-типа, которая будет служить								каналом
транзистора	(см. рис. 4 . 31а) . Затем эту область закрывают защитным
слоем S1O2,		в котором через окна формируют сильно легированные
р+-области	истока		и стока. Затвором		в	этой конструкции		служит
подложка.
В конструкции			транзисторов КП103 с			каналом р-типа		и	КП302
с каналом n-типа на одной стороне пластины сначала создаются									неглу-

бокие «карманы», тип проводимости которых противоположен типу проводимости подложки (см. рис. 4.31 г,д). После этого на поверхности пластины формируются диффузионные области истоков, стоков и затворов. Расположенные на поверхности полоски затворов з2 соеди-

няются с подложкой, которая выполняет роль нижнего	затвора	з1.
Д л я увеличения крутизны вольт-амперной характеристики	каждый	из

описываемых приборов содержит пять параллельно соединенных транзисторов. Из-за достаточно большой длины канала предельная частота $тих транзисторов не превышала 100 МГц.

Мощные полевые транзисторы с управляющим р - п - переходом строятся в основном по двум схемам [11]. В первой из

них на поверхности эпитаксиального слоя n-типа,	выращенного
на подложке р + - типа, вытравливаются V-образные	канавки по-

чти на всю глубину эпитаксиального слоя. Эти канавки отделяют друг от друга области истока и стока; затвором транзистора служит подложка. Благодаря ^ - образной канавке эффективная длина канала в транзисторе оказывается сравнительно короткой (порядка 1 мкм). Параллельное соединение большого числа таких транзисторов позволяет создать, например, транзистор с напряжением пробоя 37 В и током насыщения 270 А, предельная частота которого составляет 1,2 МГц [11]. Другой конструкцией мощного полевого транзистора является полевой транзистор со

статической индукцией, рассматриваемый в следующем								разделе.
Транзисторы			со	статической	индукцией.	Конструкция
мощного полевого транзистора, называемого полевым								транзи-
стором	со	статической		индукцией	или аналоговым		транзисто-
ром [11,	88, 163],		показана на рис. 4 . 3 2 а 1 ) . Было				предложено
несколько		похожих		конструкций	этого транзистора			[210].
Транзистор		имеет	вертикальную		структуру,	затвор		которой

1) В зарубежной литературе для обозначения этих транзисторов использу- ется аббревиатура SIT (static Induction transistor).

306	Гл. 4. Полевые	транзисторы
выполнен в виде сетки из полупроводника			р+ -типа, разделя-
ющей	области истока и стока n-типа проводимости. Носи-
тели,	направляющиеся от истока	к стоку,	в области сетки

движутся по каналам, ширина которых ограничена областями пространственного заряда р-п-переходов и зависит от при-

ложенного	к затвору	напряжения. Благодаря очень коротко-
му каналу	транзистор	характеризуется высоким током стока

и высокой крутизной вольт-амперной характеристики, а из-за проявления эффектов короткого канала сами вольт-амперные

характеристики		сильно	отличаются от		характеристик	обыч-
ных	полевых транзисторов			и очень напоминают характеристи-
ки	вакуумного	триода	(см.	рис. 4.326).	Транзисторы	со ста-

тической индукцией могут иметь напряжение пробоя 800 В, максимальный ток стока 60 А, сопротивление в открытом состоянии 2 Ом и время включения 200 не [И] .

исток

Уг = 0

	10	20	30
а	б	К ,	В

Рис, 4.32. Мощный полевой транзистор со статической индукцией: а — конструкция транзистора, б — его выходные вольт-амперные характеристики [11]

Изменение

у р о в н я

л е г и р о в а н и я

n-области структуры

суще-

ственно

в л и я е т

на

вольт - амперные

характеристики

транзисто-

ра

со с т а т и ч е с к о й

и н д у к ц и е й .

В ы ш е

мы

описали

случай, ко-

гда

толщина

о б л а с т и

п р о с т р а н с т в е н н о г о

заряда вокруг

сетки

меньше

п о л о в и н ы

р а с с т о я н и я

между

соседними

проводника-

ми

сетки;

в э т о м

с л у ч а е

п р и

н у л е в о м

напряжении

на затворе

транзистор

о т к р ы т ,

а

д л я

е г о закрывания

на затвор надо

подать

обратное

с м е щ е н и е .

В

д р у г о м

случае,

когда области

простран-

ственного

з а р я д а

п е р е к р ы в а ю т с я уже

при

нулевом

напряжении

на

затворе, х а р а к т е р и с т и к и

транзистора

становятся

похожими

на х а р а к т е р и с т и к и

биполярных транзисторов (см. гл. 2). Здесь

перекрывающиеся

области

пространственного заряда

образуют

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки 307

«базу», которая разделяет верхнюю и н и ж н ю ю области п-типа. Протекание электронов через такую «базу» происходит там, где высота потенциального барьера для них минимальна — в местах, посередине между проводниками сетки. Такую конструкцию транзистора называют биполярным транзистором со стати-

ческой индукцией 0. Особенностью работы такого транзистора

является то, что при подаче на затвор положительного смещения начинается инжекция дырок в слабо легированную п-область. Это вызывает приток электронов из контактов истока и стока для компенсации заряда инжектированных дырок, в результате чего сопротивление открытого канала резко падает. Из-за модуляции проводимости рабочая плотность тока в этих транзисторах может быть в несколько раз выше, чем в обычных биполярных транзисторах. Это предопределяет возможность использования биполярных транзисторов со статической индукцией в качестве мощных коммутационных устройств. Описанный выше режим работы называют биполярным режимом работы транзистора со статической индукцией в отличие от полевого режима, реализуемого при отрицательных смещениях на затворе.

Наконец, если концентрация легирующей примеси в п- области совсем низка ( г - о б л а с т ь ) , то возникает весьма необычная (триодная) в о л ь т - а м п е р н а я характеристика. Это с в я з а н о с т е м , что из-за с л а б о г о экранирования электрического п о л я в г - о б л а с т и

высота п о т е н ц и а л ь н о г о барьера для инжекции э л е к т р о н о в из истока о к а з ы в а е т с я линейной комбинацией п о т е н ц и а л о в з а т в о р а

и стока. П о э т о м у пока плотность тока инжекции н е в е л и к а , т о к стока

где коэффициент р, зависит от геометрии прибора. При увеличении плотности тока концентрация электронов в канале становится выше концентрации легирующей примеси и ток стока начинает ограничиваться пространственным зарядом инжектированных носителей.

Существует еще один вариант транзистора со статической

индукцией,		в котором сетка затвора изготовлена	из	металла
и погружена в достаточно сильно легированный			полупровод-
ник	[69]. Это — так называемый транзистор		с	проницае-
мой	базой.	В этом транзисторе ширина каналов	модулируется

1) В зарубежной литературе для обозначения этих транзисторов используется аббревиатура BSIT {bipolar static Induction transistor).

308	Гл. 4. Полевые транзисторы

с помощью барьеров Шоттки. Интерес к этому типу транзистора обусловлен тем, что из-за очень короткого канала (его длина определяется максимальной толщиной обедненного слоя барьера Шоттки) еще в 80-х годах на транзисторах из GaAs с вольфрамовой сеткой удалось получить время задержки распространения сигнала 4,3 пс [211].

Транзисторы со статической индукцией изготавливают не только из кремния и GaAs, но также и из SiC и GaN. Два последних полупроводника характеризуются широкой запрещенной зоной, высокой напряженностью поля пробоя и достаточно высокой подвижностью электронов, и поэтому хорошо подходят для создания мощных высокочастотных транзисторов (например, эти приборы позволяют получить выходную мощность 10 Вт на частоте 10 ГГц). Отечественной промышленностью разработан ряд мощных кремниевых транзисторов со статической индукцией, например, КП802 для работы в полевом режиме и КП934 для работы в биполярном режиме.

Шумы в полевых транзисторах. Основными источниками шума в полевых транзисторах являются тепловой шум канала и дробовой шум затвора. Подробный расчет этих шумов проведен в работе [49], здесь же мы обсудим только их результаты.

П р и н у л е в о м н а п р я ж е н и и с т о к - и с т о к тепловой шум канала о п р е д е л я е т с я е г о с о п р о т и в л е н и е м , к о т о р о е , к а к м ы п о к а з а л и

выше, ч и с л е н н о	с о в п а д а е т с	в е л и ч и н о й , о б р а т н о		й к р у т и з н е	в о л ь т -
а м п е р н о й х а р а к т е р и с т и к и т р а н з и с т о р а д т . н а с			в	р е ж и м е н а с ы щ е -
н и я . Р а с ч е т ы ,	п р о в е д е н н ы е	п р и VCH Ф 0 (то		е с т ь к о г д а	к а н а л

с т а н о в и т с я н е о д н о р о д н ы м по т о л щ и н е ) п о к а з ы в а ю т , ч т о с р е д н и й к в а д р а т н а п р я ж е н и я ш у м а р а в е н

^ = AjnkT д / _

( 4 3 0 )

9т. нас

г д е к о э ф ф и ц и е н т 7 о п р е д е л я е т с я п р о ф и л е м и з м е н е н и я т о л щ и н ы канала в д о л ь о б р а з ц а и и з м е н я е т с я от 1 п р и Vclf — 0 д о 7 и « 2 / 3 в р е ж и м е н а с ы щ е н и я . Т о ж е с п р а в е д л и в о и д л я М О П - т р а н з и с т о р о в , с о з д а н н ы х н а в ы с о к о о м н ы х п о д л о ж к а х .

Дробовой

шум в

п о л е в ы х т р а н з и с т о р а х

д о с т а т о ч н о м а л ,

ч т о

обусловлено

м а л ы м

т о к о м у т е ч к и

з а т в о р а .

О д н а к о на

с р е д н и х и

высоких ч а с т о т а х

в ф л у к т у а ц и и

т о к а

з а т в о р а

к р о м е

д р о б о в о г о

шума н а ч и н а е т д а в а т ь

в к л а д е щ е

ш у м п р о т е к а ю щ е г о

в ц е п и

з а -

твора е м к о с т н о г о

т о к а ,

и н д у ц и р о в а н н о г о т е п л о в ы м ш у м о м

в

к а -

нале. Е с л и

б ы э т о т т о к

н о с и л ч и с т о

е м к о с т н ы й

х а р а к т е р , т о

он

не

давал б ы

в к л а д в

ш у м

( п о с к о л ь к у ,

в

с о о т в е т с т в и и с

п р и н ц и п о м

4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки

309

Онзагера, шум связан с диссипативными процессами). Однако из-за конечного времени пролета носителей через канал сдвиг между фазой флуктуации напряжения и фазой емкостного тока немного отличается от 90°. В результате этого в токе затвора появляется действительная составляющая, которая дает дополнительный вклад в токовый шум. В итоге, полная величина среднего квадрата флуктуаций тока в цепи затвора равна

t = (	+	4 7 f c - Л » . , ™ А/.	(4.31)
\		9т
где Связке — эффективная емкость, приблизительно			равная	2/3
от емкости затвор-исток,	a	w — 2тг/. Второе слагаемое в		этой

формуле обычно начинает превышать дробовой шум (первое слагаемое) на частотах выше кГц. Поэтому для высокочастотных применений следует использовать транзисторы с наименьшим отношением С„х.экв/<?т-

В полевых транзисторах с МОП-структурой большую роль играет фликкер-шум, связанный с захватом и выбросом носителей поверхностными состояниями. Спектральная плотность этого шума пропорциональна плотности поверхностных состояний. Как мы уже отмечали, наименьшей плотностью поверхностных состояний на границе Si-SiOg характеризуется поверхность Si(100), и, следовательно, для ослабления фликкер-шума в МОП-транзисторах следует использовать кремний с такой ориентацией поверхности. Однако даже при этом избыточный шум в МОП-транзисторах оказывается столь сильным, что для усиления слабых сигналов эти транзисторы можно использовать только на частотах выше 1 МГц.

В полевых транзисторах с р-п-переходом источником дополнительного шума являются процессы генерации-рекомбинации с участием глубоких ловушек в области пространственного за-

ряда. Захват и выброс носителей		на эти ловушки модулиру-
ет толщину обедненного слоя и,		следовательно,	меняет	тол-
щину проводящего	канала. В полевых транзисторах из			GaAs
с барьером Шоттки заметную роль		играет также генерационно-
рекомбинационный	шум, связанный с глубокими		ловушками
в канале транзистора.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом и многоячеечной структурой (например, 2SK369 фирмы Toshiba) могут иметь очень низкое значение шумового напряжения (0,7 нВ/%/Гц на частоте 1 кГц) и при сопротивлении источника сигнала 10 кОм усилитель на таком транзисторе будет иметь температуру

310

Гл. 4. Полевые

транзисторы

шума менее 2 K b области звуковых частот. тока утечки затвора полевые транзисторы для создания низкошумящих усилителей с сопротивлением.

Из-за малого шума идеально подходят высоким входным

Г л а в а 5

П Р И Б О Р Ы С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Структура, похожая	на рассмотренный	нами	в п.	4.1.1
МОП-конденсатор, используется в приборах		с зарядовой		свя-
зью (ПЗС), иногда также	называемых приборами с		переносом

заряда1X Приборами с зарядовой связью называют семейство полупроводниковых приборов, работа которых основана на управ-

ляемом перемещении			зарядовых		пакетов	вдоль		поверхности
полупроводника путем			подачи	на систему		поверхностных			элек-
т р о д о в определенной			последовательности			т а к т о в ы х		и м п у л ь с о в
[212, 213]. Изменяя		величину		заряда в з а р я д о в ы х			п а к е т а х ,		м о ж -
но	кодировать как	цифровую,		так	и а н а л о г о в у ю		и н ф о р м а ц и ю .
Э т о	предопределяет широкие возможности п р и м е н е н и я э т и х								п р и -

б о р о в .

Идея о	возможности использования не напряжения,	а величины
заряда для	представления информации и ее обработки	возникла за-
долго до изобретения приборов с зарядовой связью. В . К . З в о р ы к и н ,

изобретатель первой передающей телевизионной трубки (иконоскопа),

еще в 1934 г. высказал идею создания запоминающих устройств, информация в которых хранилась бы в виде зарядов на множестве конденсаторов, созданных на поверхности изолирующей подложки . В 1952 г. были созданы первые электронные схемы аналоговых л и н и й

задержки, которые использовали принцип направленного перемещения

заряда и получили название «пожарных цепочек» 2 ) .

1) В зарубежной литературе эти приборы обозначаются CCD (charge cou-

pled device).

2) Термин «пожарная цепочка* взят из обыденкой жизни. Так называется

известный принцип пожаротушения» когда люди, стоя на месте, передают ведра с водой друг другу по цепочке.