СВЧ-приборы и интегральные микросхемы : полевые транзисторы GaAs с затвором в виде барьера Шоттки

№ 1447 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников 

Кольцов Г.И. 

Одобрено методическим 
советом института 

СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 
Раздел: Полевые транзисторы GaAs с затвором в виде 

барьера Шоттки 

Учебное пособие 

для студентов специальности 200.200 

Москва 1998 

АННОТАЦИЯ 

В данном пособии излагаются физические основы работы GaAs1ТГБШ, выводятся основные соотношения, характеризующие работу 
этого прибора в статическом режиме и высокочастотном диапазоне, 
приводятся методы оптимизации конструкции GaAs-ПТБШ с целью 
получения заданных характеристик прибора и описываются основные 
этапы конструирования, исходя из требований, которые обычно 
выдвигает заказчик к разработчику полупроводниковых приборов и 
ИС 

Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(технологический университет) 
1998 год 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 
4 

КОНСТРУКЦИЯ ПТ ИЗ GaAs С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ 
6 

ВЫХОДНЫЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЬШ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

GaAs -ПТБШ 
13 

Подвижность 
и 
дрейфовая 
скорость 
в 

полупроводниковых материалах 
13 

Уравнение для тока стока в GaAs - ПТБШ 
17 

Вывод ВАХ ПТБШ 
22 

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТБШ ИЗ GaAs 
29 

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И 

ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПТБШ ИЗ GaAs 
32 

КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО 
МОЩНОСТИ, МАКСИМАЛЬНАЯ И ПРЕДЕЛЬНАЯ 
ЧАСТОТА, ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ ПТБШ ИЗ GaAs 
36 

МАТРИЦА РАССЕЯНИЯ ИЛИ S-ПАРАМЕТРЫ ПТБШ ИЗ 

GaAs 
41 

УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 

РЕАЛЬНОГО ПТБШ ИЗ GaAs 
44 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
56 

ЛИТЕРАТУРА 
57 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Создание 
сверхскоростных 
маломощных 
логических 

сверхбольших интегральных схем, а также 
высокочастотных 
малошумящих усилителей выдвигает повышенные требования к 
характеристикам активных приборов Параметры и характеристики 
приборов в свою очередь определяются физическими свойствами 
полупроводниковых материалов из которых их изготавливают 
Основными условиями обеспечения нелинейности и малого времени 
переключения логических элементов ИС является большая крутизна 
прибора, высокая частота и логическая 
амплитуда 
Анализ 
показывает, что в полевых транзисторах указанные свойства 
определяются подвижностью носителей заряда и длиной канала 
Увеличение крутизны пропорционально возрастанию отношения 
подвижности к длине канала Произведение коэффициента усиления 
на рабочую частоту, то есть граничная частота, также растет при 
увеличении 
этого 
отношения, 
с 
дополнительной 
обратной 
зависимостью от длины канала 

Таким образом для увеличения крутизны прибора и его граничной 
частоты вместо кремния целесообразно 
использовать другой 
полупроводниковый материал с более высокой подвижностью 
носителей заряда в проводящем канале Этим обстоятельством и 
обусловлен выбор арсенида галлия в качестве исходного материала 
для создания высокоскоростных ИС и сверхвысокочастотных 
приборов 

Прогресс достигнутый за последние годы в технологии создания 
полевых транзисторов из арсенида галлия с барьером Шоттки 
(ПТБШ) привел к тому, что в диапазоне частот (2-20) ГГц нет 
приборов, выпускаемых промышленностью, которые могли бы 
сравниться с GaAs-ПТБШ по таким параметрам как максимальный 
номинальный коэффициент усиления, коэффициент шума и ширина 
полосы пропускания 

В данном пособии излагаются физические основы работы GaAsПТБШ, выводятся основные соотношения, характеризующие работу 
этого прибора в статическом режиме и высокочастотном диапазоне, 

4 

Кольцов Г И. СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

приводятся методы оптимизации конструкции GaAs-ПТБШ с целью 
получения 
заданных 
характеристик 
прибора 
и 
описываются 

основные этапы конструирования, исходя из требований, которые 
обычно выдвигает заказчик к разработчику полупроводниковых 
приборов и ИС. 

Целью данного пособия является развитие навыков расчета и 
конструирования 
GaAs-ПТБШ 
для 
создания 
реальной 
технологической схемы его изготовления. 

5 

КОНСТРУКЦИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА из GaAs 
с БАРЬЕРОМ ШОТТКИ 

Исходная структура для создания GaAs-ПТБШ представляет собой 
определенную последовательность эпитаксиальных слоев GaAs, 
выращенных по МОС-гидридной или другой технологии на 
полуизолирующей (ПИ) подложке GaAs (рис. 1). Первый буферный 
слой, выращенный на ПИ GaAs, обычно не легируется и создается 
для защиты основного рабочего слоя от примеси, которая может 
диффундировать из подложки за время роста эпитаксиального слоя. 
Концентрация остаточной примеси в этом слое должна обеспечивать 
концентрацию носителей заряда менее чем 1014см~3. Толщина 
буферного слоя (1,5...2) мкм. Следующим формируется рабочий слой, 
легированный обычно кремнием с концентрацией на уровне No « 
Ы017см~3. При таких концентрациях подвижность электронов 
ци = (3,5...4)-103см2/Вс 

Подконтактный слой n+ GaAs 
с концентрацией носителей 2-Ю18 см 3 

Рабочий слой n'GaAs 
с концентрацией носителей 2-Ю17 см"3 

Буферный слой нелегированного GaAs 
с концентрацией носителей < ЫО14 см'3 

Полуизолирующий GaAs легированный Сг 
с концентрацией носителей <Ы0 1 2 см"3 

Г 

л 

0,25 мк> 

0,3 5-0,5 1 

l,5i-2,5 1 

Рис 1. Пример типичной последовательности эпитаксиальных слоев GaAs, 
предназначенных для изготовления ПТ с БП1 

6