Транзисторы с высокой подвижностью носителей

Одним из самых распространенных видов современных полупроводниковых приборов являются полевые транзисторы, в том числе МДПТ с индуцированным каналом. Как показано в разделе 1, быстродействие такого транзистора определяется его крутизной S, которая может быть найдена из соотношения

, (6.9)

где m - подвижность электронов в канале;

С_Д - удельная емкость диэлектрика;

U_ЗИ - напряжение между затвором и истоком;

U_ПОР - пороговое напряжение;

l - длина канала;

b - ширина канала.

При этом важная характеристика транзистора – ток канала – тоже прямо пропорционален подвижности носителей. Поэтому для улучшения характеристик транзистора необходимо иметь максимально большую подвижность носителей заряда в двумерном газе инверсного слоя.

Прежде всего, повышение подвижности можно обеспечить за счет исключения потерь, вызванных поверхностным рассеянием. Из всех рассмотренных выше типов квантовых структур это условие лучше всего достигается в гетеропереходах.

Далее следует избавиться от рассеяния на ионах заряженной примеси. Теоретически можно показать, что для этого надо не снижать концентрацию легирующей примеси, а увеличивать расстояние между носителями и ионами примеси. Последнего можно достичь путем использования так называемых структур с модулированным легированием. Общая схема такой структуры на гетеропереходе имеет вид в соответствии с рисунком 6.22.

Рисунок 6.22 – Зонная диаграмма гетероструктуры с модулированным легированием

Основная идея такой структуры состоит в том, что в гетеропереходе легируется только широкозонный полупроводник, тогда как узкозонный остается нелегированным. При этом некоторая часть электронов в соответствии с рисунком 6.22 перейдет в узкозонный из широкозонного для того, что бы обеспечить постоянство уровня Ферми. В результате ионизированные примеси и свободные носители станут разделенными и будут принадлежать разным частям гетероперехода. Еще большего возрастания подвижности можно достичь, если ввести в структуру простеночный спейсер, т.е. оставить нелегированным тонкий слой в широкозонном полупроводнике, который непосредственно примыкает к границе перехода. Тем самым достигается еще большее разделение носителей заряда и примесей, что в свою очередь еще более увеличивает подвижность в двумерном электронном газе. В структурах GaAs/AlGaAs для d =800Ǻ получается значение подвижностей более 10⁷ см²/(В×с). Важно заметить, что толщину спейсера нельзя делать очень большой, т.к. это приведет к снижению концентрации двумерных носителей, что в свою очередь понизит уровень Ферми, а это приведет к итоговому снижению их подвижности. Иными словами у зависимости m(d) имеется оптимальный максимум толщины.

Для того, чтобы использовать модулированное легирование в полевых транзисторах, необходимо изменить конструкцию МДП-структуры. Вместо нее следует рассматривать гетеропереход в соответствии с рисунком 6.2, у которого к тонкому слою широкозонного полупроводника прикреплен контакт Шоттки. В этом случае области обеднения вблизи гетероперехода и контакта Шоттки перекрываются и все доноры широкозонного слоя оказываются ионизованными. В результате слой широкозоного полупроводника играет роль диэлектрика, а гетероструктура становится аналогом МДП-структуры и концентрация двумерных электронов линейно зависит от напряжения на затворе (контакте Шоттки).

Созданные таким образом полевые транзисторы часто обозначают английский аббревиатурой НЕМТ (High Electron Mobility Transistor — транзистор с высокой подвижностью электронов). На самом деле полностью использовать преимущества высокой подвижности двумерного газа и получить транзисторы с крутизной, во много раз большей, чем у обычных МДП-транзисторов, не удается. Причина кроется в том, что в реальных приборах для получения высокого быстродействия и высокой плотности интеграции в БИС расстояние между истоком и стоком l делается весьма малым (~1 мкм). При этом напряженность поля в канале настолько велика, что дрейфовая скорость электронов уже не пропорциональна полю (с коэффициентом, равным подвижности), а выходит на насыщение. В результате крутизна S слабее зависит от подвижности носителей.

Тем не менее, использование структур с модулированным легированием приводит к некоторому повышению крутизны полевых транзисторов.

Два других важных параметра – характерное время переключения и энергетические затраты на одно переключение транзистора – также могут быть уменьшены по сравнению со стандартными полевыми транзисторами на однородном GaAs. В настоящее время ряд фирм уже ведет конкретные разработки быстродействующих компьютеров, использующих в качестве элементной базы полевые транзисторы с модулированным легированием.