Полевого транзистора свч
Целью работы является определение основных физико-топологических параметров полевого транзистора с барьером Шоттки (ПТШ) по экспериментальным статическим характеристикам и вычисление эквивалентной схемы транзистора в зависимости от размеров прибора и режима работы.
6.1. Теоретические положения
Идея построения полевого транзистора была высказана в 20-х гг. двадцатого столетия американским ученым Лилиенфельдом, но практически прибор реализован У. Шокли в 1952 г., на 4 года позже изобретения биполярного транзистора. Основная сложность при изготовлении приборов такого типа заключается в реализации барьера Шоттки с малой плотностью поверхностных зарядов. Принцип действия полевого транзистора (ПТ) заключается в том, что при изменении напряжения на затворе меняется эффективная ширина пролетного канала и соответственно ток в цепи исток-сток 
. Полевые транзисторы различаются по методу управления потоком основных носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале. Они могут иметь изолированный затвор, затвор на основе p- n-перехода или затвор на основе барьера Шоттки. Транзисторы с изолированным затвором из-за наличия МОП-структуры (металл – окисел – полупроводник) имеют невысокие граничные частоты и не используются в сантиметровом диапазоне волн. Полевые транзисторы с p- n-переходом не позволяют существенно увеличивать уровень мощности вследствие низких допустимых напряжений и малой площади поверхности, отводящей тепло.
Наиболее широкое применение на СВЧ находит ПТ с барьером Шоттки, схематичное изображение которого представлено на рис. 6.1. Для формирования структуры ПТШ на подложке 1 из полуизолирующего арсенида галлия изготавливается буферный высокоомный слой 2, выполненной также из GaAs. Затем создается эпитаксиальный проводящий канал 3 
-типа с концентрацией носителей 
высотой 
. Через омические (невьшрямляющие) контакты, образованные 
-областями 4 и металлическими пленками 5 и 6, канал 3 соединяется с выводам истока и стока. Сверху между истоком и стоком размещается слой металла, который служит электродом затвора 7, который на границе с -каналом образует барьер Шоттки. Простейшая топология 
с характерными размерами транзистора приведена на рис. 6.2. При приложении разности потенциалов между стоком и истоком через -канал начинает протекать электронный ток. Отметим, что подвижные носители заряда в ПТШ вводятся в -канал и выводятся из него через невьшрямляющие контакты, поэтому ПТШ относят к однополярным (униполярным) полупроводниковым приборам. Затвор 7 используется в ПТШ для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании тока через канал возникает падение напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. При этом часть барьера Шоттки, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещенной в обратном направлении, чем остальная часть транзистора. Это приводит к несимметричному расширению слоя обедненного заряда 8 под затвором (рис. 6.1). Область обедненного слоя может расширяться до высокоомной подложки 2 и перекрывать проводящий канал 3. При этом ток транзистора в цепи исток-сток практически перестает зависеть от напряжения стока. Наступает режим насыщения тока исток-сток на рабочем участке характеристики транзистора. Повышение обратного смещения на электроде затвора вызывает увеличение ширины обедненной области и тем самым сужение -канала. Изменение высоты проводящего канала приводит к возрастанию сопротивление канала и уменьшению тока стока. Так осуществляется модуляция электронного потока в канале с помощью внешнего управляющего напряжения.
Одним из основных факторов, определяющий частотные свойства полевого транзистора, является время пролета носителей заряда в канале 
, где 
– длина канала; 
– дрейфовая скорость насыщения носителей заряда в канале. Очевидно, что для получения высокочастотных приборов необходимо обеспечить малую длину канала и большую дрейфовую скорость насыщения. Из этих условий вытекает ряд требований к материалу транзистора и к размерам его затвора. В качестве материала канала в ПТШ используют преимущественно GaAs, так как подвижность электронов в этом материале примерно в 6 раз выше, чем в кремнии, следовательно, скорость насыщения больше. Перспективным является создание ПТШ на основе фосфида индия, в котором дрейфовая скорость носителей в 1,5 раза выше, чем в арсениде галлия. В настоящее время длину активной части полупроводникового канала 
удается снизить до 1…2 мкм. Ток прибора и отдаваемую мощность можно повысить за счет увеличения ширины канала 
до 2…3 мм и создания многоканальной структуры (рис. 6.3, а). Так, например, ячейка ПТШ, предназначенного для работы на частоте 4 ГГц, имеет затвор 
= 1,5 мкм, а размеры 
и 
соответственно 1,0 и 2,0 мкм (рис. 6.3, б). При ширине канала транзистора 2,6 мм и размещении на одной подложке до трех десятков единичных структур, соединенных параллельно, обеспечивается выходная мощность 2 Вт. Уменьшение длины канала, однако, неблагоприятно сказывается на величине коэффициента отражения от входа, что затрудняет согласование ПТШ с входным СВЧ-трактом.
К электрофизическим параметрам полевого транзистора относятся: концентрация легирования -канала , длина затвора , высота токового канала , контактная разность потенциалов барьера Шоттки 
, паразитные сопротивления стока 
и истока 
и сопротивление металлизации затвора 
. К основные статическим характеристикам транзистора можно отнести: стоковую характеристику 
– зависимость тока стока от напряжения исток-сток 
при фиксированном напряжении на затворе 
, затворную характеристику 
– зависимость тока стока от напряжения затвор-исток 
при фиксированном напряжении . При включения ПТШ в схемах с общим истоком второй индекс в обозначениях, относящийся к истоку, часто опускается.
Проанализируем эти характеристики (рис 6.4). Для выяснения вида характеристики исключим вначале электрод затвора из рассмотрения. В этом случае зависимость, получившейся диодной структуры, будет иметь омический (линейный) участок при малых напряжениях (соответствующая средняя напряженность поля 
2…3 кВ/см) и неомический (нелинейный) участок при больших ( 
3 кВ/см). Насыщение тока в такой диодной структуре обусловлено насыщением средней скорости дрейфа носителей заряда в больших электрических полях ( 
15 кВ/см для арсенида галлия и 30 кВ/см для кремния). При дальнейшем увеличении напряжения стока ( 250…300 кВ/см) существует вероятность лавинного пробоя. Подключение затвора изменяет толщину токового канала, что скажется только на уровне тока насыщения, не изменяя форму характеристик . Это обстоятельство иллюстрируется кривыми на рис. 6.4 для трех напряжений на затворе: 
= 0, 
и 
(для случая -канального прибора). На величину тока насыщения существенную роль оказывает длина затвора . При протекании тока стока возникает падение потенциала вдоль канала, кокоторое приводит к изменению высоты области обеднения 
вдоль затвора. Это изменение в первом приближении подчиняется формуле Шокли:
где 
– потенциал в рассматриваемой точке канала 
; – потенциал затвора; – контактная разность потенциалов; – уровень легирования токового канала; 
– электронная температура; 
– постоянная Больцмана; 
– заряд электрона; 
– диэлектрическая проницаемость. Формула (6.1) записана для -канального транзистора. Следует заметить, что значение 
(«тепловой» потенциал) характеризует увеличение ширины токового канала за счет тепловой энергии электронов.
Из (6.1) видно, что высота обедненного слоя от истока к стоку увеличивается, что равносильно уменьшению токового канала и, соответственно, допустимого тока насыщения. Такое поведение канала обеспечивает внутреннюю отрицательную обратную связь, что обусловливает постоянство тока стока. Этот факт позволяет использовать такие приборы в качестве стабилизаторов тока. Отметим, что стоковые характеристики ПТШ 
аналогичны анодным характеристикам пентода 
при постоянном напряжении на первой сетке лампы.
Затворная характеристика 
(рис. 6.4) начинается от некоторого напряжения запирания (перекрытия) транзистора 
, при котором в канале полностью отсутствуют подвижные носители заряда. Анализ (6.1) показывает, что полное напряжение перекрытия связано с высотой канала и уровнем легирования, следующим соотношением:
Внешнее (на выводах прибора) напряжение перекрытия 
меньше по модулю напряжения на значение контактной разности потенциалов контакта металл-полупроводник и можно записать 
. Максимальное значение тока стока будет наблюдаться при напряжениях на затворе, компенсирующих . Дальнейшее увеличение напряжения на затворе приводит к перераспределению тока истока 
между током на затвор 
и током стока , что вызывает падение тока стока (рис. 6.5). Заметим, что такое поведение тока стока и затвора аналогично поведению анодного и сеточного токов в вакуумном триоде.
Для вычисления статических характеристик ПТШ, а также поведения транзистора при воздействии переменного сигнала необходимо знать конструктивно-технологические параметры прибора и иметь математическую модель токопереноса. В данной работе предлагается на основе обработки некоторых характерных экспериментальных зависимостей определить такие физико-топологические параметры, как , , , а также паразитные сопротивления истока , стока и сопротивление металлизации затвора .
6.2. Основные расчетные соотношения
6.2.1. Определение параметров барьера
К параметрам управляющего барьера Шоттки относятся: контактная разность потенциалов , коэффициент идеальности и паразитное сопротивление контакта 
. Для определения этих параметров можно использовать прямые ветви вольтамперных характеристик диодов, образованных электродами исток-затвор или сток-затвор. Известно, что теоретически вольтамперная характеристика диода Шоттки описывается выражением:
где 
– постоянная Ричардсона; 
– температура диода; – внешнее напряжение на диоде; 
– напряжение на барьере; 
– площадь поперечного сечения диода. Искомые величины , , можно легко найти, ес 
ли воспользоваться тремя значениями токов и напряжений, полученных из эксперимента. При выборе этих точек необходимо иметь в виду следующие обстоятельства. При малых плотностях тока (напряжениях 
) выражение (6.3) плохо аппроксимируют реальную характеристику, так как сказывается влияние токов утечки. При больших токах (напряжениях 
) существенное влияние в ограничении роста тока играет сопротивление , что снижает точность описания зависимости 
выражением (6.3). На рис. 6.6 показана вольтамперная характеристика диода Шоттки. Значения тока представлены в логарифмическом масштабе. На графике видны три характерные области: область токов утечки 1, линейная область 2 и область последовательного сопротивления 3. Линейная связь между 
и в области 2 свидетельствует о том, что зависимость хорошо может аппроксимироваться выражением (6.3). Выбирая на линейном участке экспериментальной характеристики две характерные точки 
и 
и соответствующие напряжения 
и 
(рис. 6.6), подставляем эти значения в (6.3) и находим:
Для определения величины сопротивления R необходимо воспользуется зависимостью , представленной в линейном масштабе. Увеличение положительного напряжения на контакте сверх значения приводит к тому, что на барьере металл-полупроводник падение напряжения становится мало по сравнению с падением напряжения на сопротивлении . Тогда легко вычислить 
. Используя такой подход для диодов, образованных электродами исток-затвор и сток-затвор, получим два сопротивления 
и 
. Разница этих сопротивлений обусловлена различием паразитных сопротивлениях стоковой и истоковой областей и можно записать
Уравнение (6.6) в дальнейшем будет использовано для определения сопротивлений стока и истока .
6.2.2. Определение параметров токового канала
Для определения уровня легирования и высоты токового канала необходимо иметь два уравнения, связывающие эти величины между собой и с внешними измеряемыми статическими характеристиками. Одним из таких уравнений является выражение для напряжения перекрытия канала (6.2). С учетом, что измеряемое напряжение перекрытия отличается от внутреннего потенциала прокола канала, можно записать:
Второе уравнение может быть получено из выражения для сопротивления полностью открытого канала 
в области слабых электрических полей:
где 
– удельное сопротивление; – площадь поперечного сечения канала; – ширина затвора; 
– подвижность носителей заряда в слабых полях. Значение подвижности в свою очередь зависит от концентрации . Эта зависимость хорошо аппроксимируется формулой
в которой значения концентрации легирования подставляются в 
см-3.
Сопротивление достаточно просто определяется из наклона стоковых характеристик в линейной области (рис. 6.4). При малом напряжении на стоке и разных напряжений на затворе сопротивление канала меняется в соответствии с изменениями высоты токового канала 
или связанной с ней – высотой обедненной подзатворной области 
. Используя выражения (6.1), (6.2) и (6.7) для различных напряжений на затворе, можно получить уравнение для сопротивления канала 
. Из экспериментальных стоковых характеристик сопротивление канала определяется отношением напряжения стока к току стока при некотором значении напряжения на затворе, то есть 
при 
.
Если представить графическую зависимость сопротивления канала от параметра 
, то в идеальном случае должна получиться прямая (рис.6.7). Величина 
характеризует степень перекрытия канала и называется параметром «закрытости» канала.
По наклону характеристики 
определяется искомое значение сопротивления полностью открытого канала . В реальных транзисторах неравномерность уровня легирования в поперечном направлении канала приводит к отклонению от линейности этой зависимости, особенно в области напряжений на затворе, близких к напряжению запирания или контактной разности потенциалов . Поэтому наклон функции необходимо определять в диапазоне от 2 до 20. Полученное таким образом сопротивление используется для определения значений концентрации и из уравнений (6.7) и (6.8), приняв начальное значение подвижности 
. Далее, используя (6.9), а затем снова (6.7) и (6.8), повторяют расчет до сходимости по и .
Следует заметить, что продолжение прямой линии до пересечения с осью ординат дает точку, отсекающую от начала координат отрезок, равный по значению сумме паразитных сопротивлений стока и истока. Это позволяет вместе с выражением (6.6) определить отдельно и . Полученная информация может быть использована для расчета всего семейства ВАХ.
6.3. Характеристика программы анализа статических и малосигнальных параметров ПТШ
Для обработки результатов эксперимента используется программа, основанная на модели двух областей, относящейся к простейшим физико-топологическим моделям. В качестве исходных данных используются упомянутые выше величины: , , , , , , , .
Программа позволяет проводить расчет статических стоковых и затворных характеристик, а также параметров малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ. Для упрощения ограничиваемся элементами кристалла: переходной проводимостью (крутизной) 
, выходным сопротивлением (проводимостью) 
, емкостью затвор-исток 
и емкостью затвор-сток 
.
Для описания свойств материала применяется двухкусочная аппроксимация полескоростной характеристики. На рис.6.7 представлены два типа полескоростной характеристики и ее двухкусочная аппроксимация. Соответствие аппроксимации реальной характеристике определяется двумя величинами: низкополевой подвижностью (или величиной порогового поля 
) и скоростью насыщения . Значение скорости насыщения слабо зависит от концентрации легирования и в расчетах принимается ровной 
. Параметр для принятой аппроксимации находится из выражения – 
.
Эквивалентная схема позволяет легко рассчитать амплитудно-частотную характеристику транзистора. Существует большое разнообразие эквивалентных схем, различающихся количеством элементов и их предназначением для описания работы ПТШ. На рис. 6.8 показана малосигнальная эквивалентная схема активного кристалла с добавлением паразитных омических сопротивлений. В ней распределенные сопротивления и емкости отдельных областей ПТШ представлены в виде сосредоточенных элементов. Сопротивления активных потерь в областях затвора, стока, истока и канала в этом случае представлены сопротивлениями , , и 
. Сопротивление 
отражает выходное сопротивление сток-исток. Емкости , представляют частичные емкости канала. Активные свойства транзистора отражены генератором тока, управляемым напряжением затвор-канал. Не учтены некоторые элементы кристалла (например, межэлектродная емкость сток-исток), индуктивности и емкости выводов.
По определению сопротивления (проводимости) транзистора:
Емкости, соответствующие различным участкам канала:
В выражениях (6.12) и (6.13) переменной 
обозначен заряд обедненного слоя. В первом приближении величины и находятся по наклону соответствующих статических характеристик (рис.2.3). Зная параметры, определенные выражениями (6.10) – (6.13), а также паразитные сопротивления стока и истока можно получить эквивалентную схему, адекватно описывающую поведение транзистора на переменном сигнале (рис. 6.8). Из ранее неописанных параметров в схему введены сопротивление металлизации затвора и сопротивление части канала, через которое происходит перезарядка емкости.
Часто для оценки предельных частотных возможностей используют величину, называемую граничной частотой 
. Эта величина показывает, на какой частоте коэффициент усиления по току равен единице (для транзистора без паразитных элементов). Чем выше 
, тем лучше работает транзистор на высоких частотах, обеспечивая меньше время задержки сигнала.
6.4. Предварительное задание
1. Изучить теоретическую часть работы. При необходимости обратиться к рекомендованной литературе
2. Ознакомиться с измерительной установкой и инструкцией по проведению измерений.
6.5. Основное задание