Полевые транзисторы с управляющим p – n переходом

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного тока электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От бипол. Транз. полевой транз. отличается, во-первых, принципом действия: в бипол. Транз. управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транз. — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транз. имеют значит. большие входные сопротивл., что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транз.. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупров-го кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе бипол. транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

52.Конструктивно – технологические варианты исполнения биполярного и полевого транзистора в одном кристалле.

При изготовлении биполярного и полевого транзисторов в одном кристалле возникает проблема оптимизации характеристик и физико-топологических структур в связи с необходимостью оптимизации одновременно двух биполярных транзисторов п⁺-р-п- и р - n - р -типов, создаваемых в одном кристалле.

Из описания принципа работы полевого транзистора с управляющим р-п переходом ясно, что одновременно обеспечить низкое напряжение отсечки и высокое напряжение пробоя р-п перехода затвор – исток полевого транзистора можно созданием тонкого и слаболегированного канала. Для обеспечения большого коэффициента передачи тока и высокой граничной частоты биполярного транзистора база также должна быть тонкой. Но при снижении степени легирования базы уменьшаются предельная частота усиления и напряжение прокола базы.

Один из вариантов такого рода структур, характеризующийся малым напряжением отсечки ПТУП, представлен на рис. 1. В данном случае уменьшение напряжения отсечки достигается за счет использования V-ПТУП. Технология изготовления данной структуры состоит из следующих этапов: в кремниевую подложку р -типа с эпитаксиальным слоем n -типа, содержавшую скрытый п ⁺-слой и изолирующие диффузионные области р ⁺-типа, проводится диффузия для формирования областей базы и канала р -типа. Затем с помощью фотолитографии вскрывается окно в окисном слое и осуществляется химическое травление базовой области в структуре ПТУП для образования V-образного углубления. Подложка имеет кристаллографическую ориентацию (100). Далее проводится диффузия для формирования областей n ⁺ -типа эмиттера, затвора и омического контакта коллектора.

Рис. 1. Структура, содержащая биполярный и V- ПТУ П -транзистор:

/– подложка кремния р -типа; 2– эпитаксиальный слой; 3– скрытый слой; 4 – изолирующие области; 5– базовая область; 6 – область канала р -типа; 7–V-образное углубление; 8– область эмиттера; 9- область затзора; 10– n ⁺-область контакта коллектору

Этот конструктивно-технологический вариант изготовления микросхемы позволяет полностью совместить технологические операции формирования областей обоих типов транзисторов, но требует введения дополнительных операций фотолитографии и травления.

Применение ионного легирования позволяет изготовлять микросхемы, содержащие на одном кристалле высококачественные биполярные транзисторы и высококачественные полевые транзисторы с точно согласованными параметрами. Структура, содержащая такие транзисторы, представлена на рис. 2. В ней одна ионно-легированная область образует канал р -типа между областями истока и стока, а вторая ионно-легированная область образует затворную область над этим каналом.

Рис. 2. Структура, содержащая биполярный транзистор и полевой транзистор с управляющим р-п переходом с ионно-легированным каналом (1) и ионно-легированным верхним управляющим затвором (2)

Рис. 3. Биполярно-полевая структура с диэлектрической изоляцией элементов, обеспечивающая высокий коэффициент усиления: 1 – ионно-легированная область базы транзистора; 2– изолирующий окисел кремния; 3 – поликристаллический кремний с большим удельным сопротивлением; 4– область канала полевого транзистора

52.Конструктивно – технологические варианты исполнения биполярного и полевого транзистора в одном кристалле. (продолжение)

При использовании диффузионной технологии напряжение отсечки полевых транзисторов контролируется очень плохо и получить два полевых транзистора с согласованными напряжениями отсечки почти невозможно. При переходе на формирование канала с помощью ионного легирования появляется возможность практически точно задать количество ионов примеси, необходимое для получения канала с заданными свойствами. В результате становится вполне реальным управлять абсолютными значениями напряжений отсечки и получить ПТУП с точно согласованными параметрами. В то же время формирование ионно-легированных каналов с малыми примесными концентрациями позволяет получить не только небольшие по абсолютному значению напряжения отсечки, но и высокие пробивные напряжения полевых транзисторов.

При изготовлении биполярно-полевой каскадной схемы необходимо создание на одном кристалле биполярного п-р-п- и полевого с л-каналом транзисторов (рис. 4). В этой структуре полевой транзистор имеет кольцевую геометрию, а область канала полевого транзистора изолирована от коллектора биполярного транзистора диффузионными р-п переходами. Нижним затвором служит подложка. Затем проводится диффузия бора с меньшей поверхностной концентрацией и менее длительным временем для формирования базы биполярного транзистора. В результате более высокой концентрации и более длительной диффузии бор в полевом транзисторе диффундирует глубже, чем в биполярном. Области п ⁺-типа эмиттера и омического контакта коллектора биполярного транзистора, стока и истока полевого транзистора образуются одновременно диффузией фосфора.

Рис. 4. Биполярно-полевая структура с изоляцией элементов р-п переходами и n -канальным полевым транзистором: /— диффузионная область базы биполярного транзистора; 2 — область изолирующей диффузии; 3 — р ⁺-область верхнего затвора полевого транзистора; 4 — область канала полевого транзистора

Рис. 5. Биполярно-полевая структура, содержащая ПТУП с вертикальным каналом n -типа: /—область канала ПТУП; 2 — р ⁺ -область затвора: 3 — скрытый слой; 4 — изолирующая р - область', 5 — р ⁺ -область пассивной базы; 6 — р ^--область активной базы

Структура, в которой интегрированы малошумящий высокочастотный и-канальный полевой и биполярный n - р - n -транзисторы, изображена на рис. 5. Она отличается от приведенных выше структур тем, что содержит не горизонтальный, а вертикальный полевой транзистор. Важным преимуществом последнего является возможность формирования очень короткого канала и, тем самым, достижения высокого быстродействия.

Вертикальный полевой транзистор при площади истока, равной 250 мкм², имеет предельную частоту усиления 7 ГГц, напряжение отсечки 2 В, напряжение пробоя исток — затвор 10 В. Недостатками такой конструкции полевого транзистора, обусловленными перекрытием затвором области истока, является повышенная емкость затвор — исток и малое напряжение пробоя