DE1464395C3 - Feldeffekt-Transistor - Google Patents

Feldeffekt-Transistor

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DE1464395C3 DE1464395A DE1464395A DE1464395C3 DE 1464395 C3 DE1464395 C3 DE 1464395C3 DE 1464395 A DE1464395 A DE 1464395A DE 1464395 A DE1464395 A DE 1464395A DE 1464395 C3 DE1464395 C3 DE 1464395C3
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Description

isolierten, von einer Halbleiterunterlage getrennten Steuerelektrode sowie ein Schaltbild eines Vorspannungskreises,
F i g. 2 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Feldeffekt-Transistors nach der Erfindung mit zwei isolierten Steuerelektroden und
F i g. 3 ein Ersatzschaltbild des Feldeffekt-Transistors gemäß F i g. 1.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten Feldeffekt-Transistor 41, der eine isolierte Steuerelektrode 49 aufweist. Der Feldeffekt-Transistor 41 enthält ein Substrat 43 aus einem Halbleitermaterial hohen spezifischen Widerstands. Das Substrat 43 kann sowohl monokristallin als auch polykristallin sein und aus einem der zur Herstellung von Transistoren in der Halbleitertechnik üblichen Halbleiterwerkstoffe bestehen.
Das Substrat 43 enthält eine Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes und einen Kanal 47 niedrigen spezifischen Widerstandes zwischen der Masse des Substrates 43 und der Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes. Das Substrat 43 der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung kann beispielsweise ein Einkristall aus p-leitendem Silicium sein, dessen spezifischer Widerstand etwa 100 Ohm · cm und dessen Dicke etwa 0,27 mm betragen können. Die Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes wird durch einen oxydierten Teil der Oberfläche des Substrates 43 gebildet; sie ist etwa 2000A dick und besteht im wesentlichen aus reinem Siliciumoxyd, das durch vollständige Oxydation des Siliciums des Substrates 43 entstanden ist. Der Kanal 47 niedrigen spezifischen Widerstandes wird gleichzeitig mit der Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes gebildet, er wird gelegentlich als Inversionsschicht bezeichnet. Der Kanal 47 erstreckt sich unterhalb der ganzen Schicht 45 hohen spezifischen Widerstandes als eine Schicht zwischen dem reinen Silicium des Substrats 43 und dem Siliciumoxyd der Schicht 45. Der niedrige spezifische Widerstand des Kanals 47 beruht vermutlich darauf, daß er freie Ladungsträger anzieht, die nicht im Gleichgewicht befindliche Ladungen in dem teilweise umgewandelten Halbleitermaterial des Kanals 47 kompensieren.
Die Steuerelektrode 49, die vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium besteht, befindet sich auf der Schicht 45 hohen Widerstandes gegenüber und im Abstand vom Kanal 47. Sie ist in Richtung auf die Quelle 51 und weg vom Abfluß 53 versetzt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, reicht die Steuerelektrode 49 über mindestens einen Teil der Quelle 51 und endet im Abstand vom Abfluß 53.
Die Quelle 51 und der Abfluß 53 befinden sich im Substrat 43 und sind an das jeweilige Ende des Kanals 47 angeschlossen. Die Länge des Kanals 47 entspricht dem Abstand zwischen der Quelle 51 und dem Abfluß 53 und beträgt im beschriebenen Beispiel etwa 12,7 μπι. Die Quelle 51 und der Abfluß 53 sind Bereiche des Substrates 43, die durch Eindiffundieren von Verunreinigungen vom η-Typ leitend gemacht wurden. An sich können als Quelle 51 und als Abfluß 53 irgendwelche Strukturen dienen, die einen geeigneten Anschluß an den Kanal 47 herzustellen gestatten.
Teile der Quelle 51 und des Abflusses 53 werden von einer Quellenelektrode 55 bzw. einer Abflußelektrode 57 kontaktiert. Die Quellenelektrode 55 und die Abflußelektrode 57 bestehen vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium und können während desselben Verfahrensschrittes und aus dem-. selben Material wie die Steuerelektrode 49 hergestellt werden.
In F i g. 1 ist der Feldeffekt-Transistor 41 als Verstärker in »Quellenschaltung« (d. h., die Quellenelektrode ist die dem Eingangskreis und Ausgangskreis gemeinsame Elektrode) geschaltet. Bei einer ersten Betriebsart werden die Abflußspannung Vd und der Abflußstrom Id durch Verändern eines Arbeitswiderstandes 37 und einer Steuerelektroden-Vorspannungsschaltung auf die gewünschten Werte eingestellt; die Vorspannungsschaltung für die Steuerelektrode 49 enthält einen Steuerelektroden-Vorspannungswiderstand 30 und eine Batterie 31, die zwischen Steuerelektrode und Masse geschaltet sind. Dann können Eingangsklemmen 29 mit einer Signalspannung Vg beaufschlagt werden. Ein Transistor mit einer Kanallänge von nur etwa 12,7 ,um kann noch im Gigahertz-Bereich betrieben werden. Der Abflußstrom Id fließt, konventionell gesehen, von Masse durch eine Spannungsquelle 35, den Arbeitswiderstand 37, die Abflußelektrode 57, den Abfluß 53, den Kanal 47, die Quelle 51 und die Quellenelektrode 55 zurück nach Masse. Die Majoritätsladungsträger sind bei dieser Ausführungsform Elektronen und fließen in umgekehrter Richtung. An zwei Ausgangsklemmen 33 kann ein Ausgangssignal ab-. genommen werden. Der Transistor kann als Impedanzwandler zur Umsetzung einer hohen Eingangsimpedanz in eine niedrige Ausgangsimpedanz und/ oder zur Verstärkung eines Eingangssignals verwendet werden.
Der in Fig. 1 dargestellte Transistor kann durch folgendes Verfahren hergestellt werden: Eine etwa 0,46 mm dicke Scheibe aus p-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohm · cm wird chemisch auf eine Dicke von 0,25 mm poliert. Auf einer Oberfläche der Scheibe wird dann thermisch eine gleichförmige Schicht aus mit Phosphor dotiertem Siliciumoxyd gebildet, indem man die Scheibe etwa 10 Minuten in einer Atmosphäre aus Argon, das durch Trimethylphosphat und Tetraäthylorthosilikat geleitet worden war, auf 75° C erwärmt. Das niedergeschlagene Oxyd wird durch etwa 5 Minuten dauerndes Erwärmen auf 75° C in einer Atmosphäre aus Argon, das durch Silan geleitet worden war, verfestigt. Auf das verfestigte Oxyd wird nun eine lichtempfindliche Ätzschutzschicht aufgebracht, und n'ach der üblichen Belichtung durch eine Schablone und nach Entwicklung dieser Ätzschutzschicht wird das Oxyd in bestimmten Bereichen weggeätzt, wobei das dotierte, verfestigte Oxyd auf denjenigen Bereichen verbleibt, die Quelle und Abfluß werden sollen, während das dotierte Oxyd von dem Bereich zwischen Quelle und Abfluß entfernt wird.
Die Scheibe wird nun auf etwa 900° C in Sauerstoff erhitzt, um eine neue Siliciumoxydschicht in dem Bereich zwischen Quelle und Abfluß und eine Inversionsschicht unter dieser Oxydschicht entstehen zu lassen. Gleichzeitig diffundieren Verunreinigungen vom dotierten und verfestigten Oxyd in die Scheibe. Durch diese Diffusion werden die stark dotierten Bereiche 51 (Quelle) und 53 (Abfluß) gebildet. Die Scheibe wird dann mit einer lichtempfindlichen Ätzschutzschicht überzogen und so geätzt, daß die Quelle und der Abfluß durch die Oxydschicht hindurch zu-
gänglich werden. Anschließend wird die gesamte Oberfläche der Scheibe mit Aluminium bedampft. Auf die Aluminiumschicht wird nun wieder eine lichtempfindliche Ätzschutzschicht aufgebracht, und das Aluminium wird von der Oberfläche der Scheibe abgeätzt, mit Ausnahme derjenigen Stellen, an denen die Quellenelektrode, die Abflußelektrode und die Steuerelektrode verbleiben sollen. Durch diesen Verfahrensschritt wird also die Form der Steuerelektrode bestimmt. Schließlich wird die Scheibe zugeschnitten, und Quellen-, Abfluß- und Steuerelektrode werden mit Anschlüssen versehen.
F i g. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Feldeffekt-Transistors 41 gemäß Fig. 1. Es enthält eine Quellenkapazität Css und einen Quellenwiderstand Rsg in Reihe zwischen der Steuerelektrode 49 und der Quelle 51 und eine Abflußkapazität Cdg und einen Abflußwiderstand Rdg in Reihe zwischen der Steuerelektrode 49 und dem Abfluß 53. Das Ersatzschaltbild umfaßt außerdem eine verteilte Kapazität Ccg zwischen der Steuerelektrode 49 und dem gesteuerten Teil des Kanals des Transistors. Das Ersatzschaltbild zeigt, daß zwischen der Quelle 51 und dem Abfluß 53 drei Widerstände in Reihe liegen. Der erste Widerstand Rsc liegt zwischen der Quelle und dem gesteuerten Teil des Kanals, der zweite Widerstand Rc entspricht dem gesteuerten Teil des Kanals, und der dritte Widerstand Rdc liegt zwischen dem gesteuerten Teil des Kanals und dem Abfluß 53.
Das Ersatzschaltbild berücksichtigt außerdem, daß der Steuerelektrode des Transistors drei Kapazitäten zugeordnet sind, die erste Kapazität Csg liegt zwischen der Quelle 51 und der Steuerelektrode 49, die zweite Kapazität Cdg zwischen dem Abfluß 53 und der Steuerelektrode 49 und die dritte, verteilte Kapazität Ccg zwischen der Steuerelektrode und dem Kanal. Da die zweite Kapazität Cds einen wesentlichen Teil der Eingangskapazität des Transistors darstellt, soll sie so klein wie möglich sein, dies gilt jedoch auch für die anderen Kapazitäten.
Durch das Versetzen der Steuerelektrode 49 in der in Fig. 1 dargestellten Weise wird Cdg verringert und die effektive Eingangskapazität dementsprechend um einen Betrag verkleinert, der eine Funktion des Betrages der Versetzung ist; ebenso wird der Widerstand Rsc verringert und dadurch die Gesamtsteilheit des Transistors verbessert, da Rsc ein unüberbrückter Gegenkopplungswiderstand ist, der sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis liegt.
Eine Erhöhung von Rdc hat beim gewöhnlichen Betrieb des Transistors nur einen geringen Einfluß, da Rdc normalerweise klein gegenüber dem gewöhnlich in der Schaltung vorhandenen Arbeitswiderstand, z.B. dem Arbeitswiderstand 37 in Fig. 1, ist. Eine Erhöhung von Cse beeinflußt gewöhnlich den Betrieb des Transistors ebenfalls nur wenig, vor allem da diese Kapazität auch durch eine geeignete Induktivität in der Betriebsschaltung kompensiert werden kann.
Die versetzte und die Quelle zumindest teilweise überlappende Steuerelektrode erlaubt weiterhin die Verwendung eines sehr kurzen Kanals, dessen Mindestlänge nicht durch die Mindestlänge der Steuerelektrode bestimmt ist.
Die erfindungsgemäße Ausführung des Transistors erfüllt also einen oder mehrere der folgenden Zwecke:
1. Erhöhung der Grenzfrequenz des Transistors und der ihm zugeordneten Schaltung;
2. Verringerung der Kopplung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Transistors und
3. Verbesserung der Steilheit des Transistors.
F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Planar-Feldeffekt-Transistors. Der Transistor 41 α der F i g. 2 entspricht dem Transistor 41 der Fig. 1 mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche, zweite Steuerelektrode 59 vorgesehen ist. Die dem Transistor gemäß Fig. 1 entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch ergänzt durch den Zusatz »α« versehen. ;·
Bei einem Feldeffekt-Transistor mit zwei (oder mehr) Steuerelektroden, die längs des Kanals im Abstand voneinander angeordnet sind, entstehen nicht nur die Widerstände Rc, Rsc und Rdc, die oben erwähnt wurden, sondern auch zusätzliche Widerstände längs des Kanals gegenüber den Zwischenräumen zwischen benachbarten Steuerelektrode^
Analytische Untersuchungen haben ergeben, daß alle Steuerelektroden als eine einzige Steuerelektrodenanordnung betrachtet werden können. Zur Verbesserung der Betriebseigenschaften eines solchen Planar-Feldeffekt-Transistors ist es zweckmäßig, eine, vom Kanal aus gesehen, kontinuierliche Steuerelektrodenstruktur vorzusehen. Hiermit ist gemeint, daß die Steuerelektroden dem Kanal eine kontinuierliche Fläche ohne Zwischenräume darbieten. Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform enthält die zweite Steuerelektrode 59, die von der ersten Steuerelektrode 49 α durch eine Isolierschicht 61 isoliert ist. Die die beiden Steuerelektroden 49 a, 59 umfassende Steuerelektrodenanordnung ist ebenfalls vom Abfluß weg versetzt und überdeckt einen Teil der Quelle, wie in Verbindung mit F i g. 1 erläutert wurde.
Die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht der Schaltungsanordnung gemäß /F i g. 1 mit der Ausnahme, daß ein zweites Paar von Eingangsklemmen 63 und ein Vorspannungekreis 64, 65 für die zweite Steuerelektrode 59 vorgesehen sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 noch nicht, daß der leitende Kanal die geringstmög- Patentansprüche: liehe Länge hat und die Kapazitäts- und Widerstandsverhältnisse optimal sind. Dies trifft auch auf einen
1. Feldeffekt-Transistor mit einem scheiben- aus der USA.-Patentschrift 2 900 531 bekannten Isoförmigen Halbleiterkörper eines ersten Lcitungs- 5 Herschicht-Feldeffekt-Transistor zu, dessen stabförtyps, der angrenzend an seine eine Hauptfläche miger Halbleiterkörper von zwei nebeneinander beeine einen Kanal bildende dünne Zone entgegen- findlichen zylinderförmigen, durch Isolierschichten gesetzten Leitungstyps aufweist, an der im Ab- vom Halbleiterkörper getrennten Steuerelektroden stand voneinander zwei einen Stromweg begren- umgeben ist, die ihrerseits symmetrisch zu einer den zende als Quelle bzw. Abfluß dienende Bereiche io stabförmigen Halbleiterkörper in Querrichtung zu angeordnet sind, und mit einer vom Kanal seiner Längsachse halbierenden Ebene angeordnet durch eine Schicht hohen Widerstandes getrenn- sind. Das gleiche gilt für die französische Patentten Steuerelektrode, die asymmetrisch zwischen schrift 1 256 116, welche die Ausbildung elektro-Quellen- und Abflußbereich angeordnet ist, da- nischer Schaltungselemente, unter anderem Widerdurch gekennzeichnet, daß die Steuer- 15 stände, in einem eigenleitenden Halbleiterkörper elektrode (49) mit ihrem einen Ende über den behandelt. Aus der österreichischen Patentschrift Quellenbereich (51), von dem sie durch die 215 483 ist es bekannt, daß der Widerstand zwischen Schicht (45) hohen Widerstandes getrennt ist, Quellenelektrode und Steuerelektrode die Grenzübergreift und mit dem anderen Ende im Abstand frequenz eines Feldeffekt-Transistors beeinträchtigt, von dem Abflußbereich (53) endet. 20 Ein Feldeffekt-Transistor der eingangs genannten
2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, ge- Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, kennzeichnet durch mindestens eine weitere daß die Steuerelektrode mit ihrem einen Ende über Steuerelektrode (59), die durch eine Isolierschicht den Quellenbereich, von dem sie durch die Schicht (61) von der ersten bzw. vorangehenden Steuer- hohen Widerstandes getrennt ist, übergreift und mit elektrode (49a) getrennt und bezüglich dieser so 25 dem anderen Ende im Abstand von dem Abflußversetzt ist, daß die Steuerelektroden vom Kanal bereich endet.
aus gesehen eine ununterbrochene Struktur bilden Wenn die Steuerelektrode in der angegebenen
(F i g. 2). Weise über die Quelle, von der aus Majoritätsladungs
träger in den Kanal strömen, übergreift, erhält man 30 ohne Verkürzung der Steuerelektrode eine ^ kleine Kapazität zwischen dem Abfluß und der Steuerelek-
trode bei gleichzeitig minimaler Kanallänge. Damit
vermindert sich die Kopplung zwischen dem Eingang
und dem Ausgang des Transistors. Dies bringt eine
35 erhöhte Stabilität bei Analogkreisen und eine höhere
Ansprechgeschwindigkeit bei Schaltkreisen mit sich.
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor Die dabei auftretende höhere Kapazität zwischen mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper eines Quelle und Steuerelektrode läßt sich kompensieren; ersten Leitungstyps, der angrenzend an seine eine bzw. herausstimmen.
Hauptfläche eine einen Kanal bildende dünne Zone 40 Weiterhin läßt sich bei der Erfindung der zwischen entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, an der im der Quelle und dem gesteuerten Teil des Kanals be-Abstand voneinander zwei einen Stromweg begren- findliche Kanalteil eliminieren, so daß der eine Gegenzende als Quelle bzw. Abfluß dienende Bereiche an- kopplung zwischen Eingangskreis und Ausgangskreis geordnet sind, und mit einer vom Kanal durch eine des Transistors bewirkende Widerstand auf ein Mini-Schicht hohen Widerstandes getrennten Steuerelek- 45 mum verringert wird.
trode, die asymmetrisch zwischen Quellen- und Ab- Schließlich wird es durch die Erfindung möglich,
flußbereich angeordnet ist. eine durch die Herstellungstechnologie bestimmte
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Feldeffekt- Mindestlänge des Kanals tatsächlich zu verwenden. Transistor anzugeben, der auch bei höheren Fre- Bei den bekannten Ausführungen war die Kanallänge quenzen zufriedenstellend arbeitet. Hierfür ist es 5° in ihrem Minimum durch die Mindestlänge der Steuerwichtig, daß die Kanallänge so klein ist, wie es die elektrode bestimmt. Diese Kanalmindestlänge/kann zur Verfügung stehenden Herstellungsverfahren zu- mit Hilfe der Erfindung nunmehr unterschritten lassen und außerdem, daß eine möglichst geringe werden.
Kapazität zwischen Steuerelektrode und Abfluß und Ein Transistor gemäß der Erfindung kann- mehr als
ein möglichst kleiner gegenkoppelnder Widerstand 55 eine einzige Steuerelektrode enthalten. Gemäß einer zwischen Quellenelektrode und gesteuertem Kanal Weiterbildung ist eine zweite Steuerelektrode durch vorhanden sind. eine Isolierschicht von der ersten Steuerelektrode ge-
Es sind Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren be- trennt und bezüglich dieser so versetzt, daß die kannt (L'Onde Electrique, Bd. 41, Nr. 407, S. 114 beiden Steuerelektroden vom Kanal aus gesehen eine bis 122; »Elektronische Rundschau«, 1960, Nr. 8, 6° ununterbrochene Struktur bilden. Durch diese An-S. 326 und 327; französische Patentschrift 1 337 425; Ordnung werden die Vorteile der Erfindung auch bei USA.-Patentschrift 2 750 542 u. a.), bei denen die einem Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor mit mehr Steuerelektrode verschiedene Abstände von der als einer Steuerelektrode erreicht.
Quellenelektrode einerseits und der Abflußelektrode Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungs-
andererseits besitzt. Diese asymmetrische Anordnung 65 beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher der Steuerelektrode, die teilweise auf der rotations- erläutert werden; es zeigt
symmetrischen Ringstruktur der betreffenden bekann- F i g. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbei-
ten Feldeffekt-Transistoren beruht, gewährleistet aber spiels eines Feldeffekt-Transistors mit einer einzigen
DE1464395A 1962-12-17 1963-12-13 Feldeffekt-Transistor Expired DE1464395C3 (de)

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