Способ включения полевого транзистора с управляющим p-n- переходом

Авторы патента:

H01L29/80 - с полевым эффектом, создаваемым при помощи управляющего p-n-перехода или другого выпрямляющего перехода

Использование: в микроэлектронике. Сущность изобретения: способ включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом заключается в том, что на затвор транзистора подают входной сигнал, на сток и исток подают напряжение смещения и обеспечивают работу транзистора в линейной области вольт-амперных характеристик. Величины напряжений смешения стока и истока выбирают такими, чтобы переход затвор-исток был смещен в прямом направлении, а переход затвор-сток в обратном. Выполняя определенное соотношение величин напряжений, обеспечивают равенство по абсолютной величине токов затвор-исток и затвор-сток и их взаимную компенсацию. 2 ил. 1 табл.

Изобретение относится к способам включения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (ПТУП) и может использоваться как в аналоговых, так и цифровых интегральных схемах, преимущественно в каскадах с крайне малым входным током.

Известен способ включения ПТУП в дифференциальном усилителе, при котором на сток и исток подают соответствующее напряжение смещения, а на затвор подают входной сигнал и токовое смещение, причем величина токового смещения равна току затвора ПТУП, а направление противоположно току затвора [1] Данное техническое решение позволяет уменьшить входной ток ПТУП путем его компенсации.

Недостатком такого способа включения ПТУП является высокий уровень шумов и сложность практической реализации токового смещения затвора, равного по величине и противоположного по направлению току затвора ПТУП, требующая использования сложных технологических процессов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ включения ПТУП, использованный в дифференциальном усилителе, при котором на сток и исток подают соответствующее смещение, на затвор подают входной сигнал, причем величины напряжения смещения, подаваемого на сток и исток, выбирают такими, чтобы ПТУП работал в линейной области вольтамперных характеристик (ВАХ) [2] т.е. выполнялось условие U_ис < U_отс, где U_ис напряжение между истоком и стоком; U_отс напряжение отсечки.

Данное техническое решение обладает наилучшей совокупностью параметров: малыми шумами и входным током.

Недостатком технического решения [2] является относительно высокий уровень входных токов при предельно низком уровне шумов.

Целью изобретения является снижение входного тока ПТУП при сохранении низкого уровня шумов.

Цель достигается тем, что в способе включения ПТУП, включающем подачу на затвор управляющего сигнала, приложение к стоку и истоку напряжений смещения, обеспечивающих работу полевого транзистора в линейной области вольт-амперной характеристики при смещении перехода за- твор-сток в обратном направлении, величину напряжения смещения, прилагаемую к истоку, выбирают из условия обеспечения смещения перехода затвор-исток в прямом направлении при удовлетворении соотношения абсолютных значении падений напряжения на переходах затвор-сток и затвор-исток условию

U_зи= m

_тln

(1) где

U_зи,

U_зс падение напряжения на переходе затвор-исток, затвор-сток по абсолютной величине, В; U_отс напряжение отсечки, В; m безразмерный фактор, характеризующий отклонение ВАХ от идеальной, 0,5

2,5;

_т- температурный потенциал, В;

_т=

где К постоянная Больцмана, Дж/K;
T температура в градусах, К;
q заряд электрона, Кулон;
K 1,38

10^-23

q 1,6 x 10^-19 K.

Сущность изобретения состоит в том, что при данной схеме включения ПТУП выполнением соотношения формулы изобретения обеспечивается равенство по абсолютной величине токов затвор-исток и затвор-сток, а встречным направлением их взаимная компенсация и суммарный ток затвора ПТУП равен нулю.

На фиг.1 представлена схема включения ПТУП в соответствии с данным способом; на фиг.2 типовая структура n-канального транзистора ПТУП.

Способ включения предусматривает задание в ПТУП 1 истокового и стокового смещения через соответствующие источники 2 и 3 питания и соединение затвора ПТУП с источником 4 управляющего напряжения U_з.

Рассмотрим работу ПТУП, если используется n-канальный транзистор, сформированный на полупроводниковой подложке р-типа 5, с эпитаксиальным слоем n-типа 6, в котором при помощи разделительных областей р⁺-типа 7 сформирован электрически изолированный карман, а также сформированы области истока 8 и стока 9 n⁺-типа проводимости, затвора 10 р-типа проводимости. В диэлектрическом окисле 11, покрывающем поверхность прибора, вскрыты окна и сформированы выводы 12 ко всем указанным областям.

При подаче на ПТУП напряжения исток-сток таким образом, что потенциал стока более высокий, чем истока, по каналу ПТУП будет протекать ток по направлению от стока к истоку, который вызовет падение напряжения на канале. Считаем, что потенциал канала в точке с координатой Х 0 равен потенциалу затвора, тогда часть канала между 0

l₂ (II) смещена напряжением затвор-сток в обратном направлении, а часть канала между -l₁

X < 0 (I) в прямом направлении напряжением затвор-исток.

Прикладывая к переходу затвор-сток обратное напряжение

U_зс, а к переходу затвор-исток прямое напряжение

U_зи, абсолютные значения которых соответствуют соотношению (1), можно добиться того, чтобы обратный ток через переход затвор-сток был одинаков по величине с прямым током через переход затвор-исток. Но так как оба тока имеют противоположное направление, то ток затвора равен нулю.

Входящий в соотношение (1) m-фактор характеризует отклонение ВАХ от идеальной, связан с наличием центров захвата, примесей, дислокаций и других нарушений, а также зависит от чистоты поверхности и степени ее защищенности от внешних дестабилизирующих факторов. Обычно 1 < m < 2,4.

В данном решении осуществляется смещение части p-n-перехода канал-затвор в прямом, а другой части в обратном направлении; выбор смещения затвор-исток, затвор-сток в соответствии с конкретным соотношением.

Выполнение первого условия является необходимым для работы прибора, но недостаточным, так как оно гарантирует только протекание противоположных по направлению токов затвор-исток, затвор-сток через вывод затвора ПТУП.

Выполнение второго условия обеспечивает определенное соотношение между токами затвор-исток и затвор-сток, но не обуславливает их разное направление.

Только совместное выполнение обоих условий обуславливает протекание через вывод затвора равных по величине и противоположных по направлению токов, вызывающих полную компенсацию входного тока.

Пример реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом использован во входном дифференциальном каскаде (ДК) электротермического усилителя. В качестве ПТУП использовались специально изготовленные для этих целей опытные образцы, в конструкции которых были приняты меры по снижению токов утечки, обусловленных вторичными эффектами: были сведены до минимума токи утечки за счет несовершенства пассирующего покрытия поверхности кристалла, по корпусу транзистора и т.д. Были использованы в качестве ПТУП также серийно выпускаемые транзисторы типа 2ПС10ЧА.

Для обеспечения возможности регулирования величины напряжения на истоке и стоке ПТУП в цепь истока включали регулируемый источник тока, а в цепь стока регулируемый стабилизатор напряжения. Дискретность регулировки составляла 1 мВ.

При использовании предлагаемого способа включения ПТУП в схеме ДК электрического усилителя ток затвора составляет менее 1

10^-14 А, а при традиционном включении ПТУП 1

10^-11-1

10^-12 А.

Диапазон величин напряжений

U_зи, для которых ток затвора составляет менее 1

10^-14 А, находится в пределах 30 мВ, при фиксированном значении напряжения затвор-сток, что обеспечивает его значение (менее 1

10^-14 А) во всем рабочем диапазоне температур эксплуатации ПТУП (+5)-(+40)^оС.

Диапазон напряжений затвор-исток, при которых ток затвора составляет менее 1

10^-15, находится в пределах 2-3 мВ. За счет согласованности полевых транзисторов ДК по стабильности напряжений затвор-исток можно обеспечить стабильность тока затвора на уровне 1

10^-15 в нормальных условиях эксплуатации (Т 20

5^оС).

В таблице приведены экспериментальные и расчетные данные, определенные из соотношения (1) при m 1. Данные приведены для тока затвора ПТУП 1

10^-15 А.

Для серийно выпускаемых ПТУП типа 2ПС104А отклонение расчетных и теоретических данных более заметны с уменьшением тока затвора. Это объясняется влиянием дополнительных утечек по корпусу транзистора, "маскирующих" истинное значение тока затвора.

Таким образом данный способ включения ПТУП по сравнению с традиционным позволяет уменьшить ток затвора в реальных устройствах в 10²-10³ раз.

Формула изобретения

СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ, включающий подачу на затвор управляющего сигнала, приложение к стоку и истоку напряжений смещения, обеспечивающих работу полевого транзистора в линейной области вольтамперной характеристики при смещении перехода затвор-сток в обратном направлении, отличающийся тем, что величину напряжения смещения, прилагаемую к истоку, выбирают из условия обеспечения смещения перехода затвор-исток в прямом направлении при удовлетворении соотношения абсолютных значений падений напряжения на переходах затвор-сток и затвор-исток условию

где

U_зи,

U_зс падение напряжения на переходах затвор-исток, затвор-сток по абсолютной величине, В;
U_о_т_с напряжение отсечки, В;
m безразмерный фактор, характеризующий отклонение вольтамперных характеристик от идеальной, 0,5

2,5;

_т температурный потенциал, В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Изобретение относится к полевым транзисторам и предназначено для работы в преобразователях частоты миллиметрового диапазона длин волн

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом // 2024996

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к полевым транзисторам с управляющим p-n-переходом (ПТУП)

Истоковый повторитель // 2024111

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции интегральных схем на основе полевых транзисторов

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом // 1828340

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом // 1828339

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (ТПУП)

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом // 1812898

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (ПТУП)

Полевой полупроводниковый прибор // 1698919

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в усилителях и генераторах несинусоидальной формы

Инвертор // 1649973

Баллистический транзистор // 1577633

Квантовый интерференционный полевой транзистор // 1549419

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при обработке малых управляющих электрических сигналов в качестве усилительного или ключевого элемента

Полевой транзистор с p-n переходом и способ его изготовления // 2102818

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к вертикальным полевым транзисторам с р-n переходом

Полевой транзистор // 2065230

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при создании элементной базы сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности полностью сверхпроводниковых интегральных схем

Способ управления током и устройство для его осуществления // 2525154

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. Управление величиной тока в приборе с вертикальной структурой, содержащем проводящую область с n-типом проводимости (n-область), анод, который расположен на нижней стороне n-области, управляющий электрод, сформированный на верхней стороне n-области и образующий с ней барьер Шотки, и катод, расположенный на боковой поверхности n-области между анодом и управляющим электродом, осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления омического контакта между катодом и n-областью. Прибор может содержать более одной единичной структуры, при этом соседние единичные структуры объединены в новую структуру с двумя катодами, единой n-областью с анодом и управляющим электродом. Изобретение позволяет повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность прибора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Мощный полевой транзистор свч // 2563319

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев: по меньшей мере одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-20 нм и по меньшей мере двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs, толщиной каждый 1-3 нм, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной p-i-δn системы барьерных слоев, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p системы барьерных слоев, при этом в каждой группе барьерных слоев i-слой выполнен толщиной 0,5-10 нм, p-слой выполнен с уровнем легирования, обеспечивающим высоту потенциальных барьеров 0,4-0,8 ширины запрещенной зоны AlxGa1-xAs, δn-слой выполнен с избыточным уровнем легирования, обеспечивающим разницу поверхностной плотности донорной и акцепторной примеси равной (1-10)×1012 см-2. Технический результат - повышение выходной мощности и коэффициента усиления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил, 1 табл.

Мощный полевой транзистор свч // 2563545

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев, по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-18 нм и, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×1018 см-2 соответственно, барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм, слоя омического контакта n+-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока, при этом электрод затвора выполнен длиной не более 0,5 мкм. Технический результат - повышение выходной мощности и коэффициента усиления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Полупроводниковый полевой регулятор тока // 2574314

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В полупроводниковом полевом регуляторе тока, содержащем анод с n+-типом проводимости, катод также с n+-типом проводимости, проводящую область с n-типом проводимости между анодом и катодом, а также управляющий электрод, причем все электроды расположены в горизонтальной плоскости, при этом катод размещен между анодом и управляющим электродом ближе к управляющему электроду, между управляющим электродом и n-областью сформирован обедненный слой, управление величиной тока осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления контакта между катодом и n-областью на участке между катодом и управляющим электродом. Прибор может содержать одну или более единичных структур. Изобретение позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления прибора, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Мощный полевой транзистор свч на полупроводниковой гетероструктуре // 2599275

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к мощным полевым транзисторам на полупроводниковой гетероструктуре. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре, содержащем полупроводниковую подложку и последовательность по меньшей мере одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала полупроводниковой гетероструктуры с заданными характеристиками и электроды истока, затвора, стока, выполненные согласно заданной топологии полевого транзистора, упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности по меньшей мере одного буферного слоя GaAs, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs по меньшей мере двух дельта-легированных донорной примесью δn-слоев и двух не легированных примесью спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, каждая в виде системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной i-p-i-δn системы барьерных слоев AlxGa1-xAs, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p-i системы барьерных слоев AlxGa1-xAs, при этом прилегающий δn-слой, легированный донорной примесью, каждой группы барьерных слоев является одновременно δn-слоем, легированным донорной примесью, для соответствующей группы проводящих слоев, электрод затвора выполнен планарно на наружном не легированном примесью i-слое AlxGa1-xAs затворной группы барьерных слоев, либо планарно в любом другом возможном слое полупроводниковой гетероструктуры выше последнего, электроды истока и стока выполнены каждый в соответствующем дополнительно сформированном углублении в полупроводниковой гетероструктуре, при этом дно каждого упомянутого углубления расположено вровень с нижней границей легированного акцепторной примесью р-слоя затворной группы барьерных слоев либо ниже в любом другом слое полупроводниковой гетероструктуры вплоть до полупроводниковой подложки. Технический результат изобретения - повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.