Полевые транзисторы с управляющим переходом металл—полупроводник

Полевые транзисторы с управляющим переходом металл—полупроводник (МЕП-транзисторы) находят применение в арсенид-галлиевых интегральных схемах, характеризующихся повышенным быстродействием, что обусловлено рядом преимуществ арсенида галлия по сравнению с кремнием. Арсенид галлия имеет более широкую запрещенную зону (ΔE₃ =1,43 эВ), благодаря чему подложка мо­жет рассматриваться как диэлектрик (ρ ≈ 10⁷...10⁹ Ом*см). Подвижность электро­нов в слабых электрических полях в арсениде галлия примерно в 5 раз выше, чем в кремнии (μ_n ≈ 5*10³ см²/В*с), а скорость насыщения в сильных полях больше при­мерно в 2,5 раза (V_нас ≈ 2*10⁷ см/с). По некоторым параметрам арсенид галлия хуже кремния. Так, у него низкая подвижность дырок и малое время жизни неоснов­ных носителей заряда, что затрудняет разработку биполярных транзисторов. Слишком высокая плотность поверхностных состояний не позволяет создавать на его основе МДП-транзисторы. Простейшая структура арсенид-галлиевого МЕП-транзистора показана на рис. 5.6.

Транзистор создается на подложке 1 из нелегированного арсенида галлия. У поверх­ности создаются области истока 2 и стока 3 n⁺-типа, а также тонкий слой 4 n-типа толщиной d₀ – О,1...0,2 мкм с концентрацией примеси N_д 10¹⁷ см^-3. На поверхность подложки (над слоем 4) наносят металлический электрод затвора 5 в виде спла­ва титан—вольфрам. Металлические электроды 6 и 7 из сплава золото—германий образуют омические контакты к областям истока и стока. На поверхность под­ложки, не используемой для контактов, наносят слой диэлектрика 8. Металли­ческий электрод затвора образует со слоем 4 выпрямляющий контакт-барьер Шотки. Толщина обедненного слоя 9 зависит от напряжения, подаваемого на затвор. Проводящий канал формируется между обедненным слоем 9 и подлож­кой 1. Принцип действия МЕП-транзистора заключается в том, что при изме­нении напряжения на затворе изменяется толщина проводящего канала, а следо­вательно, его проводимость и ток стока, то есть принцип действия практически не отличается от принципа действия транзистора с управляющим р-п- переходом. Для МЕП-транзистора справедливы соотношения, выведенные в преды­дущем разделе. Существуют лишь количественные различия. Рассмотрим неко­торые из них.

Напряжение отсечки у МЕП-транзистора может быть как положительным, так и отрицательным. Оно определяется формулой (5.3):

Например, при φ_к0 = 0,8 В, N_д = 10^{!7 см -3}, έ = 13,1 и d₀ = 0,2 мкм получаем и_отс = -2 В, При d₀ = 0,1 мкм и той же концентрации примесей и_отс = 0,08 В. Практически ве­личина и_отс арсенид-галлиевых транзисторов может лежать в пределах от -2,5 до +0,2 В. Если и_отс < 0, то при u_зи = 0 канал является проводящим, и такой транзис­тор называют нормально открытым. Если и_отс > 0, то при u_зи = 0 канал перекрыт обедненным слоем, и транзистор называют нормально закрытым.

На рис. 5.7 приведены управляющие характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) транзисторов, а также входная характеристика (3), показывающая зависимость тока затвора от напряжения u_зи. Напряжение, пода­ваемое на затвор транзистора, не должно превышать 0,6 В с тем, чтобы в цепи за­твора не появился нежелательный ток затвора.