9.2.5. Температурная зависимость параметров канального транзистора

Температурная зависимость основных характеристик канального транзистора определяется зависимостью от температуры подвижности μ(T) в канале

,

которая уменьшается из-за рассеяния на фононах, а также уменьшением контактного потенциала φ_З(Т) затвора (9.2) с ростом температуры.

Ток насыщения и крутизна канального транзистора для структур с большим пороговым напряжением (U_пер >> φ_З) уменьшается с ростом температуры из-за преобладающего влияния падения подвижности, так как увеличение проводимости из-за расширения канала (уменьшение ОПЗ контактного потенциала) в этом случае относительно невелико. Однако для транзисторов с малой толщиной канала (U_пер ≤ φ_З) или для нормально закрытых транзисторов может доминировать эффект увеличения U_пер(Т) или возрастания толщины канала с ростом температуры, что приводит к увеличению тока стока насыщения и крутизны (рисунок 9.12). При некоторых оптимальных значениях уровней легирования канала, и U_пер ≈ φ_З , оба температурных эффекта компенсируют друг друга, и ток насыщения не зависит от температуры в широком диапазоне.

Для большинства дискретных канальных транзисторов доминирует эффект уменьшения подвижности с ростом температуры, что вводит отрицательную токо-температурную обратную связь в отличие от биполярных транзисторов в режиме больших мощностей и повышает устойчивость приборов к токовым перегрузкам и вторичному пробою.

, R_вх

g_m

T T

Рисунок 9.12 - Зависимость тока насыщения Рисунок 9.13 - Зависимость входного

и крутизны от температуры сопротивления от температуры

Граничная частота крутизны f_g ведет себя аналогично крутизне (9.27) с изменением температуры. Поэтому для аналоговых преобразований предпочтительнее транзисторы со структурой, обеспечивающей термостабильное значение крутизны передаточной характеристики. Входное сопротивление канального транзистора уменьшается с ростом температуры, так как обратный ток затвора экспоненциально возрастает при увеличении температуры (нормально открытый) (рисунок 9.13).

Максимальное напряжение стока, определяемое лавинным размножением носителей заряда в ОПЗ перехода сток-затвор, увеличивается с ростом температуры. Для короткоканальных транзисторов со смыканием (токовый пробой) максимальное напряжение сток-исток уменьшается при повышенных температурах.

9.3. Канальный транзистор с управляющим барьером Шоттки

Дальнейшее повышение быстродействия канальных полевых транзисторов было достигнуто с помощью структуры, в которой в качестве управляющего затвора используется барьер Шоттки (рисунок 9.14). В начале 70-х годов 20-го века технологически значительно проще реализовался процесс изготовления короткого канала методом фотолитографии по металлу, чем изготовление планарного p-n перехода затвора. Кроме того, наиболее подходящие материалы для полевых транзисторов GaAs, InP и другие имеют очень высокую плотность поверхностных состояний, не позволяющую получать качественные МДП – транзисторы и p-n переходы затворов для полевых транзисторов. Поэтому полевой транзистор с барьером Шоттки (ПТШ) на основе GaAs и других материалов типа A₃B₅ получил основное распространение в СВЧ электронике и сверхбыстродействующих цифровых ИС. Упрощенная структура ПТШ представлена на рисунке 9.14. Структура ПТШ представляет собой эпитаксиальную пленку GaAs n-типа, выращенную на поверхности полуизолирующей подложки, легированной, например, хромом. Подложка обеспечивает хороший теплоотвод и одновременно ограничивает толщину канала. Барьер Шоттки сформирован напылением алюминия или другого затворного металла. Принцип его работы аналогичен полевому транзистору с управляющим p-n переходом. При приложении обратного смещения к затвору область ОПЗ барьера Шоттки расширяется и уменьшает проводящее сечение канала.

Рисунок 9.14 - Поперечное сечение транзистора с барьером Шоттки на основе GaAs

1 – запирающий слой; 2 – полуизолирующий GaAs

Рисунок 9.15 - Зависимость дрейфовой скорости от напряженности поля

для GaAs (кривая 1) и Si (кривая 2)

Теория таких транзисторов несколько сложнее теории транзисторов с p-n переходом в затворе, поскольку наличие максимума на зависимости приводит к образованию стационарных доменов Ридли – Ганна у затвора со стороны стока. Образование неподвижных доменов можно объяснить с помощью рисунка 9.15 на основе зависимости скорости от напряженности поля.

При работе транзистора с барьером Шоттки в области насыщения тока (пентодный участок ВАХ) дрейфовая скорость достигает максимального значения V_макс в области, близкой к центру канала, и падает до V_нас у конца затвора со стороны стока, где проводящий канал наиболее узкий. В результате здесь имеет место накопление электронов, обеспечивающих сохранение непрерывности тока. Далее, за пределами этой области, толщина канала увеличивается, увеличивается и скорость электронов, так как напряженность поля уменьшается. Поскольку для поддержания того же тока в более широкой области требуется меньшее количество электронов, здесь формируется область положительного пространственного заряда. Таким образом, возникает неподвижный диполь (домен), который главным образом и ответственен за вольтамперные характеристики ПТШ в режиме пробоя стока с участком отрицательного дифференциального сопротивления S-типа и уменьшением напряжения пробоя с увеличением тока стока насыщения в отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. В моделях ПТШ с коротким каналом необходимо учитывать падение подвижности с ростом напряженности поля и неполное перекрытие канала при насыщении тока. Эти эффекты ведут к уменьшению U_C.нас с уменьшением длины канала по сравнению с напряжением перекрытия, а следовательно, тока насыщения и крутизны. Так как длина канала уменьшается при увеличении напряжения стока, то теория ПТШ имеет более сложный вид, хотя принцип действия остается неизменным.

Для увеличения коэффициента усиления в СВЧ диапазоне необходимо оптимизировать характеристики ПТШ, стремясь получить максимальное значение отношения крутизны к ширине затвора (g_m / W_К). Для современных GaAs ПТШ получены максимальные значения отношения крутизны к ширине затвора [18]:

мА/(В∙мкм). (9.30)

Дальнейшее улучшение этого параметра связано с применением полупроводников InP, InGaAs и других.