Модуляционно-легированные полевые транзисторы (MODFET)

Наличие потенциальной ямы очень малых размеров, сформированной в гетеропереходах структуры AlGaAs-GaAs, может приводить к квантованию уровней энергии, соответствующих движению электронов в направлении, перпендикулярном поверхности раздела, хотя движение электронов в плоскости, параллельной поверхности раздела, практически не отличается от движения свободных частиц. При этом отмечалось, что подвижность электронов в этой плоскости может быть исключительно высокой, поскольку возникающие в слое AlGaAs электроны поступают в нелегированный слой GaAs, где отсутствует рассеяние на примесных атомах и они могут двигаться параллельно поверхности раздела совершенно свободно под воздействием электрического поля. Именно на этом принципе с начала 1980-х г. начали создаваться полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей (НЕМТ), которые иногда называют полевыми транзисторами с модулированным легированием (MODFET), так как в них используются модулированно-легированные гетеропереходы, а их действие основано на возможности регулирования движения электронов вдоль канала воздействием электрического поля.

Модулированно-легированные полевые транзисторы (MODFET), которые уже нашли много полезных применений в высокочастотной технике, могут служить наглядным примером приборов, в которых высокие технические характеристики достигаются за счет использования квантового поведения электронов, локализованных в нанометровых потенциальных ямах с размерами меньше длины волны де Бройля электронов

Полевые транзисторы на гетероструктурах имеют слоистую структуру, позволяющую создавать двумерный электронный газ с высокой подвижностью. На рис. 2, а схематически представлено сечение типичного модулированно-легированного полевого транзистора (MODFET), включающего в себя все привычные электроды транзистора (сток, исток и затвор).

Рис. 2. (а) Схема сечения типичного модулированно-легированного полевого транзистора (MODFET или НЕМТ); (б) схематическое строение зоны проводимости в направлении, перпендикулярном структуре.

Диаграмма (а точнее, структура зоны проводимости в направлении, перпендикулярном структуре) приведена на рис. 2, б. Наиболее характерной особенностью транзисторов этого типа выступает квантовая яма для электронов, образующаяся между n-легированным слоем полупроводника AlGaAs и слоем обычного, нелегированного GaAs. Квантовая потенциальная яма в гетероструктурах AlGaAs-GaAs формируется на поверхности раздела из-за того, что ширина запрещенной зоны AlGaAs (Еg ~ 2 эВ) значительно превышает ширину зоны в GaAs (Еg ~ 1,41 эВ). Обычно ширина такой квантовой ямы (приблизительно треугольной формы) составляет около 8 нм, т. е. является настолько тонкой, что электронный газ действительно может образовывать двумерную систему. На рис.2, б показан только один энергетический уровень. Прослойка из нелегированного AlGaAs вводится в структуру для того, чтобы еще больше удалить проводящий канал от слоя AlGaAs n-типа (где генерируются носители) и тем самым повысить подвижность электронов вследствие ослабления взаимодействия с ионизированными донорами. Типичная ширина такой прослойки составляет около 50 А.

Легко заметить, что показанная на рис. 2 структура MODFET или НЕМТ очень похожа на полевые МОП-транзисторы, у которых потенциальная яма для электронного канала также располагалась на поверхности раздела структуры Si - SiO2. Обычный режим работы полевых транзисторов с высокой подвижностью носителей (НЕМТ) похож на режим полевых МОП-транзисторов, в которых поток электронов движется от истока к стоку под воздействием приложенного напряжения. Такой ток может модулироваться сигналом напряжения, подаваемым на затвор. Аналитическое выражение для зависимости тока насыщения Idsat от напряжения на затворе Vg имеет вид: Idsat ~(Vg - Vт)2, где величина Vт - величина порогового напряжения. Поэтому вольтамперные характеристики модулированно-легированных полевых транзисторов очень похожи на характеристики полевых МОП-транзисторов. Скорость переключения и высокочастотные характеристики таких транзисторов могут быть повышены за счет уменьшения времени пролета электронов tr, для чего конструкторы таких устройств стремятся максимально сократить длину затвора L (которая обычно составляет около 100 нм), одновременно стараясь увеличить ширину затвора, поскольку это позволяет повысить величину сигнала и так называемую крутизну транзистора. Известно, что для изготовления полевых транзисторов с барьером Шоттки для достижения высокой крутизной необходимо использовать высоколегированные материалы (с уровнем легирования порядка 1018-1019 см-3), что ограничивает дрейфовую скорость электронов из-за рассеяния на большом числе примесных атомов. Таким образом, использование модулированно-легированных полевых транзисторов представляет конструкторам приборов дополнительные преимущества, так как в таких структурах транспорт носителей осуществляется в нелегированном слое (GaAs).

Статья в тему

Счетчики времени телефонных разговоров
В условиях грядущего введения в действие системы повременной оплаты телефонных разговоров возникает потребность следить за временем, проведенным у телефонного аппарата. Для этой цели можно применять разного рода устройства, и с разной эффективностью. Однако в общем случае применяются ...