Пороговое напряжение

Для интенсивно развивающейся интегральной электроники технологичность – одна из определяющих характеристик прибора. В этом аспекте полевые КТ с управляющим p-n-переходом заметно уступают ПТШ.

В настоящее время технология изготовления ПТШ использует арсенид галлия.

Важнейшим свойством GaAs является высокая подвижность электронов в слабых полях (в 6 раз выше, чем в кремнии), связанная с малой эффективной массой. В чистом материале основным механизмом рассеяния является рассеяние на полярных оптических фононах. При охлаждении до 77 К подвижность ограничивается рассеянием на фоновых примесях и достигает (80...250) 10³см²/В·с.

Важным преимуществом является значительная ширина запрещенной зоны. Собственная концентрация носителей заряда весьма мала (~2 10⁶см"³ при Т = 300 К), что позволяет получить материал с высоким удельным сопротивлением (полуизолирующий i* – GaAs). Подложки GaAs с удельным сопротивлением р = (10⁷...10⁹) Ом·см обладают прекрасными диэлектрическими свойствами вплоть до частот в несколько сот гигагерц.

Высокая подвижность электронов позволяет создавать на основе GaAs электронные приборы чрезвычайно высокого быстродействия, причем диэлектрическая подложка обеспечивает малые паразитные емкости в ИМС. Значительная ширина запрещенной зоны позволяет расширить температурный диапазон работы ИМС. Прямой характер межзонных переходов приводит к резкому снижению времени жизни избыточных носителей заряда. В сочетании с большой шириной запрещенной зоны это свойство GaAs повышает радиационную стойкость ИМС на его основе.

Рисунок 6.1– Простейшая структура ПТШ

В полевых транзисторах с затвором Шоттки (ПТШ) канал представляет собой электронейтральную область, в которой положительный заряд доноров компенсирован зарядом основных носителей (электронов). Модуляция проводимости канала осуществляется за счет изменения толщины канала, которая обычно много больше дебаевской длины экранирования. Канал отделен от поверхности слоем области пространственного заряда (ОПЗ), толщина которого зависит от напряжения между затвором и каналом и определяет барьерную емкость затвор – канал. Как правило, толщина ОПЗ в ПТШ больше толщины подзатворного диэлектрика в МОПТ. Поэтому управляющее действие затвора проявляется несколько слабее, что снижает крутизну ВАХ. Однако во столько же раз снижается емкость затвор – канал. Кроме этого, в канале ПТШ подвижность электронов не подвержена действию поверхностных дефектов, как это имеет место в МОПТ.

Основное различие ВАХ ПТШ и МОПТ связано с тем, что в МОПТ затвор электрически изолирован от канала диэлектриком и ток затвора практически равен нулю. В ПТШ переход затвор – канал имеет диодную характеристику и при положительных напряжениях U_ЗИ ток затвора может быть достаточно большим.

При U_СИ = О (I_С = I_И = 0) потенциалы всех точек канала одинаковы, и на рис.6.1X_dn= X_dc . Толщина ОПЗ определяется напряжением U_3И:

,

(6.1)

где N_d – концентрация доноров в однородно легированном активном слое.

Пороговое напряжение U_пор соответствует напряжению затвор – исток, при котором толщина канала обращается в нуль, т.е. а = Xd . Таким образом, из (6.1) следует

где U_П = eN_da²/2εε₀ – напряжение перекрытия канала, численно равное пороговому напряжению при φ_Б = 0.

Величина барьерного потенциала слабо зависит от материала затвора, так как определяется в основном поверхностными состояниями, и составляет обычно около 0,8 В. Крутизна ВАХ ПТШ пропорциональна произведению подвижности электронов в канале на концентрацию доноров. Для увеличения крутизны желательно повысить концентрацию доноров, однако при этом снижается подвижность, уменьшается толщина ОПЗ (6.1) и возрастает емкость затвор – канал. Оптимальноезначение N_dлежитвдиапазоне(1...5)10¹⁷см^-3.При фиксированных значениях φ_Б и N_d величина U_пop соответствует толщине активного слоя

При а> а₀ пороговое напряжение отрицательно, и в равновесном состоянии (U_ЗИ = 0) канал существует. Такие ПТШ называются нормально открытыми. При а<а₀ пороговое напряжение положительно, и для образования канала необходимо приложить напряжение U_ЗИ– U_пор> 0. Такие ПТШ называются нормально закрытыми. Таким образом, толщина активного слоя является главным параметром, определяющим величину порогового напряжения.