Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Граничная частота полевых канальных транзисторов определяется геометрией
прибора и параметрами материала. В Si и GaAs электроны имеют более
высокую подвижность, чем дырки. Поэтому в СВЧ-схемах используются только
л-канальные полевые транзисторы. Кроме того, поскольку в GaAs электронная
подвижность при малых полях примерно в пять раз выше, чем в кремнии,
граничная частота /г в GaAs-транзисторах должна быть больше, чем в
аналогичных кремниевых приборах.
Важнейшим геометрическим параметром полевого транзистора является длина
затвора L. При уменьшении L уменьшается емкость затвора CGS и
увеличивается крутизна, а следовательно, увеличивается и граничная
частота fT. На рис. 21 приведены теоретические зависимости fT от длины
канала L для транзисторов из Si, GaAs и InP [23, 24]. Отметим, что в InP-
приборах ожидается более высокая граничная частота /т, чем g GaAs-
транзисторах, что
(60)
/макс -
h
(61)
2 Vh + /т^з
где
ri - (Rg И- Rt Ч" RsVRds
(62)
358
Глава 6
и ______1__I I I I I 11 I К I Ni \ 11
0,2 0,30,40,5 0,81,0 2 3 4-5 810
Длина затвора, мкм
Рис. 21. Теоретические зависимости частоты отсечки от длины затвора для
транзисторов из Si, GaAs и InP [23, 24].
обусловлено более высоким значением пиковой дрейфовой скорости в этом
материале [25]. Для МП-транзисторов из Si и из GaAs с длиной затвора
менее 0,5 мкм граничная частота fT соответствует миллиметровому диапазону
спектра электромагнитного излучения (^30 ГГц).
Для того чтобы затвор транзистора мог эффективно контролировать транспорт
электронов в канале, его длина должна превы-шать глубину канала (L/a > 1)
[24]. Поэтому, сокращая L, нужно одновременно уменьшать и глубину канала
а, обеспечивая выполнение условия Lla > 1. Для этого в полевых
транзисторах из Si и GaAs обычно используют более высокий уровень
легирования канала, не превышающий, однако, ~5-1017 см-3 (во избежание
пробоя). При таком уровне легирования минимальная длина канала L
ограничена величиной около 0,1 мкм, что соответствует граничной частоте
fT а*. 100 ГГц.
На рис. 22 приведены вольт-амперные характеристики мощного МП-
транзистора. Его максимальная выходная мощность на синусоидальном сигнале
зависит от максимальных значений тока и напряжения (рис. 22) следующим
образом:
P"ut = (/Д1 ~ 'Dll (Vb ~ Vl) ¦ (63)
Здесь ток 1т близок к значению If (максимальному току канала
при предельно допустимом прямом смещении затвора), a VB -
напряжение лавинного пробоя. Для повышения выходной мощности следует
максимизировать If и VB. Величину максимального тока можно оценить [26] с
помощью уравнений (44) и (45), подставив в них их = 0:
и\ - 1,5и\ - 1,5 (м? - 1 )lz = 0, (64)
Полевые транзисторы
359
Рис. 22. Вольт-амперные
Решение этого уравнения определяет минимальную глубину обедненного слоя в
канале у стока имин- Максимальный ток канала определяется из выражения
(45):
[ /71
(65)
На рис. 23 приведены теоретические зависимости [26] глубины канала от
концентрации ND для некоторых значений длины канала L и отношения IJZ
(максимальный ток на единицу ши-
L =2 мкм 1мкм
4 5 6 18 10 20
/УЛ) 10 16 см~3
30 40 50
Рис. 23. Расчетные зависимости глубины канала от уровня легирования для
GaAs МП-транзисторов с различной длиной затвора и плотностью
максимального тока на единицу ширины канала [26].
360
Глава 6
рины канала). Из них следует, что при заданных L и IJZ глубина канала а
изменяется примерно по закону Nd1- Так, при L = 1 мкм, Nd = 1017 см-3 и а
= 0,2 мкм максимальный ток на единицу ширины канала составляет 3 А/см.
Для увеличения напряжения пробоя VB нужно снижать уровень легирования
канала ND, что, однако, при заданных значениях L и а приводит к
уменьшению максимального тока 1т. Поэтому при оптимизации выходной
мощности приходится искать компромиссные решения. При этом следует
учитывать, что для мелких каналов, в которых полный заряд на единицу
площади Qe = Nd^ не превышает 2 • 1012 см-2, из-за двумерного
распределения электрического поля напряжение пробоя значительно превышает
соответствующее пробивное напряжение плоского (одномерного) р+-п-
перехода. С учетом двумерных эффектов для напряжения пробоя в работе [47
] было получено следующее выражение:
Кв = 5* 1013/QC (см-2) (В). (66)
При работе с высокими уровнями мощности приборы разогреваются. С ростом
температуры уменьшаются подвижность электронов (~ [Г(К)]"2) и скорость
насыщения (vs ~¦ [Г (К)]-1) [27]. Поэтому канальные полевые транзисторы
имеют отрицательный температурный коэффициент, что обусловливает их
сравнительно высокую термостабильность при работе с высокими уровнями
мощности. Соотношение между предельной мощностью и граничной частотой МП-
транзисторов из GaAs [28] иллюстрируют данные,
/00
60
40
?0
41 10
со 6
§ 4
? Z
5 /,о
0,6
0,4
0,2
0,1
: \
: Л p~f~2
- (
•V
"*• Гу
• \
- • \
i ill - j i .1 1
/ ?
4 66/0
20 40 100
f, ГГц
Рис. 24. Соотношение между предельной мощностью и граничной частотой для
