СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ Российский патент 1996 года по МПК H01L29/78 

Изобретение относится к полупроводниковой области техники, а именно к полевым транзисторам, используемым, в частности, в диапазонах УВЧ, СВЧ, КВЧ.

Известен способ управления полевым транзистором путем подачи напряжения сигнала на затвор. При этом электрическая составляющая поля сигнала взаимодействует с зарядами под затвором, модулируя, тем самым, ток в канале полевого транзистора. Этот способ управления полевым транзистором принят в качестве прототипа.

Полевой транзистор, согласно прототипа, представляет собой полупроводниковый прибор, который имеет полупроводниковую структуру тонкий проводящий слой, выращенный на кристалле полуизолирующего полупроводника, называемого подложкой. Полупроводниковая проводящая структура выполняет роль управляемого "канала", по которому перемещаются основные носители тока (далее просто канал). На внешней стороне полупроводниковой проводящей (рабочей) структуры сформированы контактные области истока, затвора, стока. Затвор всегда располагается между истоком и стоком. К контактным областям присоединяют соответствующие токовыводы для коммутации с электрической схемой.

При подаче на сток относительно истока положительного постоянного напряжения по каналу, расположенному между истоком и стоком, начинает протекать ток. Отрицательное постоянное напряжение, называемое напряжением смещения, подается на затвор относительно истока.

Напряжение смещения определяет рабочую точку выбранного режима по величине тока канала. Под затвором, в объеме канала имеется область пространственного заряда, обедненная основными носителями тока, обычно электронами. Размеры этой области зависят от напряжений на токовыводах полевого транзистора. При определенном напряжении смещения эта область полностью перекрывает "просвет" канала и ток прекращается. Это значение напряжения смещения называют напряжением отсечки. Напряжение смещения выбирают вблизи напряжения отсечки, где величина изменения тока под воздействием напряжения на затворе максимальна. Если на затвор полевого транзистора, работающего в таком режиме, одновременно подать переменное напряжение сигнала, оно начнет модулировать ток канала. Таким способом осуществляется управление транзистором. Все известные конструкции полевых транзисторов используют этот способ управления.

На низких частотах затвор полевого транзистора работает в режиме холостого хода, так как взаимодействие поля с зарядами осуществляется без употребления мощности сигнала. Потери сигнала определяются токами утечки через запертый барьер, образованные объемным пространственным зарядом. Величина тока утечки чрезвычайно мала: 10^-9 10^-12 А. Поэтому на низких частотах полевые транзисторы обнаруживают высокую чувствительность. Однако с повышением частоты начинает сказываться влияние различных паразитных факторов, возникающих на входе полевого транзистора между затвором и истоком. Эти элементы можно разделить на два вида по механизму действия.

Первый вид это паразитные явления в полупроводниках, связанные с дефектами полупроводниковой структуры, проявляют слабую зависимость от частоты. Дефекты увеличивают токи утечки до 10^-6 10^-7 А. С ними борются различными технологическими способами при изготовлении транзисторов.

Второй вид это паразитные элементы, образующие эквивалентную схему полевого транзистора.

Такими паразитными элементами являются:
С_вн внешняя межэлектродная емкость;
С_зк емкость области пространственного заряда между затвором и каналом с током;
С_зи-R_зи барьерная цепочка на границе раздела, образованного объемным пространственным зарядом, расположенная между затвором и истоком, состоящая из последовательно соединенных емкости запертого барьера С_зи и сопротивления R_зи;
R_м сопротивление металлизации затвора;
R_и сопротивление цепи истока.

Сумма паразитных элементов, приведенных ко входу полевого транзистора, характеризуется низким входным импедансом Z_вх, включенным к входу транзистора, при этом Z_вх R_вх jX_вх, где R_вх активное входное сопротивление, а jX_вх реактивная составляющая входного сопротивления. Так как эти паразитные элементы имеют емкостной характер, то с увеличением частоты их сопротивления уменьшается. На некоторой частоте (f'_т предельная частота усиления), где коэффициент (K_ω) усиление транзистора становится равным единице, использование полевого транзистора становится не эффективным. Тот и другой вид паразитных элементов снижают чувствительность полевых транзисторов, шунтируя воздействие напряжения сигнала.

В полевых транзисторах их частотные свойства, кроме уже перечисленных, определяются временем пролета основных носителей под затвором. Это время характеризует предельные частотные свойства полевого транзистора, характеризуемые максимальной частотой f_тмакс, до которой возможно использование полевого транзистора. Это значение частоты определяется формулой
f_тмакс где средняя дрейфовая скорость основных носителей в рабочем ускоряющем поле под затвором (для арсенида галлия (GaAs) полупроводникового материала с максимальной подвижностью электронов она составляет обычно от 2 х 10⁷ до 3 х 10⁷ см/с);
L_зэфф эффективная длина затвора полевого транзистора, определяющая пролетный промежуток в канале (в лучшем случае составляет от 0,1 до 0,5мкм).

При указанных значениях U и L_зэфф максимальная частота (f_тмакс) полевого транзистора должна быть не менее 100 ГГц. На практике частотные свойства полевых транзисторов в лучшем случае достигают 40 ГГц. Ухудшение начинает сказываться уже на частотах 10 ГГц. Это ограничение частотных свойств полевых транзисторов связано с паразитными элементами, включенными на входе, которые в первую очередь ограничивают доступ напряжения сигнала к процессу управления транзистором.

Из всего изложенного следует, что использование работы затвора в режиме холостого хода не позволяет реализовать максимальные частотные свойства полевых транзисторов.

Целью изобретения является разработка такого способа управления полевым транзистором, при котором удалось бы значительно ослабить влияние паразитных элементов, находящихся на его входе и, тем самым, реализовать его потенциальные частотные возможности при одновременном улучшении основных характеристик: коэффициента усиления и чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления полевым транзистором путем подачи сигнала на затвор, согласно изобретению, подают сигнал, возбуждая ток вдоль затвора.

При этом способе управления затвор работает в режиме короткого замыкания, так как сопротивление затвора значительно меньше сопротивления питающей линии.

Заявленный способ принципиально отличается от известных способов тем, что управление полевым транзистором осуществляется током сигнала, протекающем вдоль затвора, и его электромагнитное поле управляет током канала.

Конструктивное осуществление заявленного способа управления должно обеспечивать возможность возбуждение тока сигнала вдоль затвора. Это достигается, в частности, путем оснащения затвора по длине по крайней мере парой токовыводов. При таком выполнении затвора становится возможным создание симметричной конструкции полевого транзистора, при которой затвор может быть выполнен прямолинейным с токовыводами по концам, а исток и сток образованы на общей с ним стороне полупроводниковой структуры и размещены симметрично по разные стороны от него.

На фиг.1 представлен полевой транзистор, вид в плане, реализующий предлагаемый способ; на фиг.2 условное обозначение полевого транзистора, реализованного согласно изобретения, на электрических схемах; на фиг.3 эквивалентная схема подключения затвора полевого транзистора к источнику сигнала в режиме короткого замыкания; на фиг.4 вариант реализации способа путем подключения затвора полевого транзистора в режиме короткого замыкания к источнику сигнала с большим выходным импедансом Z_и > Z_вх; на фиг.5 вариант реализации способа путем подключения затвора полевого транзистора в режиме короткого замыкания к источнику сигнала с малым импедансом Z_и < Z_вх; на фиг.6 пример принципиальной схемы устройства (входной каскад усилителя).

Представленная на фиг. 1 конструкция полевого транзистора иллюстрирует один из наиболее простых вариантов реализации заявленного способа.

Полевой транзистор 1 кристалл полупроводника (ЧИП), на котором выражена полупроводниковая структура 2. представляющая собой область рабочего слоя, расположенного под истоком 3, затвором 4 и стоком 5, размещенных на внешней стороне структуры. Исток 3, сток 5 снабжены токовыводами 6 и 7 соответственно. Между истоком 3 и стоком 5 встроен затвор 4, к которому с обоих концов присоединены контактные области 8 и 9 с токовыводами 10 и 11 соответственно.

В полупроводниковой структуре 2 под истоком 3, затвором 4 и стоком 5 образован канал, по которому перемещаются основные носители тока.

Управление каналов в описанном устройстве полевом транзисторе осуществляется не за счет воздействия напряжения от внешнего источника, подводимого между затвором 4 и истоком 3, а за счет электромагнитного поля, образующегося вокруг тока, возбуждаемого вдоль затвора 4. Благодаря этому уменьшается влияние входных паразитных элементов на величину управляющего воздействия источника сигнала.

Описанная конструкция представляет собой идеально симметричный униполярный полевой транзистор, в работе которого ничего не изменится при изменении полярности истока и стока.

Поскольку утвержденного официально госстандартом условного обозначения описанного полевого транзистора не существует, автор разработал свой вариант его условного изображения, представленного на фиг.2, который используется ниже в описании принципиальной схемы. На базе описанного полевого транзистора можно строить различные радиотехнические схемы, входные, промежуточные усилители, смесительные и преобразовательные каскады, генераторы и другие устройства.

Более конкретно, изобретение иллюстрируется на фиг.3, где показано разделение тока (I_с) сигнала на ток (I_з), протекающий по затвору (I_з), и ток (I_п), протекающий в паразитных элементах. Согласно эквивалентной схеме при использовании заявленного способа управления вдоль затвора протекает ток сигнала, возбуждаемый источником сигнала 12 с входным импедансом 13, равным Z_и. Сопротивление затвора 14, равное Z_з, значительно меньше, чем входной импеданс 15, равный Z_вх, образованный паразитными элементами (Z_з < Z_вх) (фиг.3).

При этом шунтирующее действие входного импеданса на воздействие сигнала ослаблено в меру соотношения Z_вх/Z_з N, т.е. в N раз. Так как значение тока, протекающего по затвору, определяющее управление транзистором, больше, чем ток, протекающий в паразитных элементах, не участвующих в управлении, то следует считать, что полученный положительный эффект связан с предложенным способом управления полевым транзистором. Ток, протекающий по затвору, создает свое электромагнитное поле сигнала, которое взаимодействует с основными носителями в канале, модулируя тем самым ток канала. Преимущества этого способа управления также в том, что значительно упрощается согласование с электрической схемой. Этот режим работы затвора полевого транзистора можно назвать режимом короткого замыкания, так как сопротивление Z_з затвора, даже на очень высоких частотах значительно меньше Z_вх.

Из всего сказанного выше следует, что необходимым условием реализации поставленной цели является использование заявленного способа управления полевым транзистором путем возбуждения тока сигнала вдоль затвора, однако, чтобы избежать отражения сигнала от затвора, работающего в режиме короткого замыкания, необходимо согласование Z_и с Z_з, для этого можно воспользоваться трансформирующими свойствами четвертьволнового отрезка линии (фиг.4).

Четвертьволновый отрезок линии 16, включенной между источником 12 с большим выходным сопротивлением 17, трансформирует его в малое сопротивление затвора 14 на другом конце. В общем случае режим холостого хода трансформируется в режим короткого замыкания. Этот вариант используется при возбуждении разомкнутой на конце линии напряжением сигнала (Uс) или электрической составляющей электромагнитного поля сигнала Ес. На фиг.4 также показаны распределение тока (Iс) и напряжения Uс в линии 16.

Другим вариантом реализации (фиг.5) может служить свойство полуволнового отрезка линии 18 трансформировать режим короткого замыкания на одном конце в тот же режим на другом конце. Этот вариант используется при возбуждении линии током (I_с) сигнала или магнитной составляющей (Н_с) электромагнитного поля сигнала, т. е. при сопротивлении источника сигнала сравнимого с сопротивлением затвора. На фиг.5 также показаны распределения I и напряжения U в линии 18.

Комбинации этих вариантов позволяют реализовать режим короткого замыкания затвора полевого транзистора, при котором ток сигнала, протекающий вдоль затвора, наиболее эффективно с минимальными потерями управляет током канала полевого транзистора, т.е. управляет транзистором.

Вариант реализации изобретения на примере входного усилительного каскада показан на фиг. 6. Представленная принципиальная схема реализует сущность способа управления полевым транзистором путем подачи сигнала на затвор, побуждая ток вдоль него. Электромагнитное поле (Е_с) свободного пространства наводит в антенне четвертьволновом диполе 19 напря- жение на свободном конце, другой конец диполя подключен к токовыводу 10 затвора 4, противоположный токовывод 11 затвора 4 заземляется, чем обеспечивается режим короткого замыкания. По затвору при этом протекает максимальный ток сигнала, так как затвор включен в пучность тока. В результате вокруг затвора 4 будет возбуждаться свое электромагнитное поле сигнала, которое управляет током канала полевого транзистора. Таким образом, в заявленном способе ток затвора модулирует выходной ток полевого транзистора, а выходное напряжение каскада снимается с нагрузки 20. На фиг.6 также показано распределение наведенного напряжения U_с сигнала и возбужденного в затворе тока (I_с) сигнала.

Изобретение позволяет повысить чувствительность аппаратуры, расширить диапазон использования в сторону более высоких частот, значительно снизив влияние паразитных элементов на входе, в том числе, возникающих вследствие несимметричности его элементов, существенно повысить температурную стабильность аппаратуры за счет ослабления влияния изменения паразитных параметров от температуры, что особенно важно в генераторах.

Использование: в полупроводниковой технике. Сущность изобретения: способ управления полевым транзистором осуществляется путем подачи сигнала на затвор и возбуждения тока вдоль затвора. 6 ил.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ путем подачи сигнала на затвор, отличающийся тем, что подают сигнал, возбуждая ток вдоль затвора.