DE2126303A1

DE2126303A1 - Eine isolierte Gate-Elektrode aufweisender Feldeffekt-Transistor mit veränderlicher Verstärkung

Info

Publication number: DE2126303A1
Application number: DE19712126303
Authority: DE
Inventors: John Aaron Somerville N.J. Olmstead (V.StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-06-01
Filing date: 1971-05-27
Publication date: 1971-12-16
Also published as: BE767882A; NL7107401A; FR2093941B1; US3745426A; GB1327298A; JPS5040988B1; FR2093941A1

Description

Dipf.-lng. H. Sauerfand · Dr.-ing. R. König - Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte · λοοο Düsseldorf · Cecilienallee 7β . Telefon 43Ξ7

Unsere Akte: 26 682 26. Mai 1971

RCA Corporation» 30 Rockefeller Plaza, New York» N_eY. 10020 (V.St.A*)

"Eine isolierte Gate-Elektrode aufweisender Feldeffekt-Transistor mit -veränderlicher Verstärkung^w

Die Erfindung bezieht sich auf isolierte Gate-Elektroden aufweisende Feldeffekt-Transistoren mit veränderlicher Verstärkung und insbesondere auf Transistoren deren Verstärkung eine Funktion der Drain-Elektroden-Spannung ist.

Ein typischer Feldeffekt-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode besteht aus Source- und Drain-Gebieten eines Typs hoher Leitfähigkeit, die in einem Substrat eines zweiten Leitfähigkeitstyps derart angeordnet sind, daß zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ein Zwischenbereich (Channelbereich) gebildet ist» wobei eine Gate-Elektrode über dem Zwischenbereich, von diesem durch eine Schicht aus Isoliermaterial getrennt, angeordnet ist« Da der Zwischenbereich aus einem anderen Leitfähigkeitstyp besteht, tritt zunächst kein oder ein nur geringer Stromfluß zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode aufj der Stromfluß durch den Zwischenbereich wird durch die an der oberhalb des Zwischenbereichs angeordneten Gate-Elektrode angelegte Vorspannung gesteuert. Bei einer verbesserten Einrichtung dieser Art ist der Zwischenbereich bei einer Null-Vorspannung nicht-leitendj er bleibt so lange nicht-leitend, bis eine ausreichende Vorspannung anliegt, um eine Inversionsschicht des ersten Leitfähigkeits-

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typs unter dem Isolator zu bilden. Die Source— und Drain-Gebiete werden sodann durcii die dünne Inversionsschicht desselben Leitfähigkeitstyps verbunden« Ein Signal an der Gate-Elektrode bestimmt das Vorhandensein und die Größe der Inversionsschicht derart, daß die Gate-Elektrode den Stromfluß durch den Zwischenbereich praktisch kontrolliert«

Die Verstärkung des Feldeffekt—Transistors mit isolierter Gate—Elektrode ist in erster Linie auf dessen Gegenwirk— leitwert (Steilheit) bezogen, welcher als das Verhältnis der differenziellen Änderung des Drain-Stroms durch den Zwisehenfoereich zur differenziell en Änderung der Gate-Spannung bei konstanter Drain-Spannung definiert istj seine Verstärkungscharakteristik wird durch Auftragen des Gegenwirkleitwerts (Steilheit) als Funktion der Gate-Spannung dargestellt. Die meisten Transistoren haben eine einfache «geradlinige" Verstärkungscharakteristik, soweit die Steilheit eine lineare Funktion der Gate-Spannung ist» Der Transistor mit veränderlicher Verstärkung ist jedoch bewußt so ausgebildet, daß eine gegenüber der Verstärkungs— charakteristik des normalen Transistors bessere Verstär— kungscharakteristik erreicht wird. In der Regel waren die Transistoren so ausgelegt,; daß die Steilheit durch Änderung der Vorspannung des Transistors gesteuert werden konn—

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Bei bekannten Transistoren mit veränderlicher Verstärkung wurde die Vorspannung an der Gate-Elektrode gesteuert; auf diese Weise war die veränderliche Verstärkung eine Funktion der Gate-Spannung» Die Gate-Elektrode war so gewählt, daß sie aufgrund ihres hochohmigen Eingangs, über den kein Gleichstrom gezogen wurde _t eine veränderliche Verstärkung hervorrief. Demgemäß konnte die Gate-Spannung praktisch leistungslos eingestellt werden* Bei dem derzeitigen Entwicklungsstand sind solche Transistoren jedoch schwer her—

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zustellen und schlecht reproduzierbare

Vom Aufbau her wurde veränderliche Verstärkung durch Modifizierung der Isolations-, Gate- oder Zwischenbereiche der Transistoren erreicht, derart, daß eine vorgegebene Erhöhung der Gate-Spannung eine unterschiedliche Vergrößerung des Drain-Stroms und der Steilheit bei verschiedenen Gate-Spannungen hervorrief. So wurde beispielsweise bei einem Transistortyp die veränderliche Verstärkung durch Änderung der Dicke der unter der Gate-Elektrode angeordneten Isolierschicht über die Länge der Gate-Elektrode erzielt, so daß mit größer werdenden Gate-Spannungen größere Teile der Gate-Elektrode aktiviert wurden. Bei einer typischen Ausführungsform wurde die Isolierschicht durch aufeinanderfolgendes Aufbringen und Ätzen einer großen Zahl von einander überlappenden Oxydschichten hergestellt, um einen Isolator auszubilden, der über die Länge des Zwischenbereichs mehrfach gestuft ist. Obwohl diese Herstellungsmethode eine geeignete Isolationsschicht erzeugte, erforderte sie doch eine große Zahl von zusätzlichen Ablagerungs- und Foto-Ätz-Schritten. Aufgrund dieser zusätzlichen Schritte war dieses bekannte Herstellungsverfahren zeitraubend und kostspielig, so daß es vom wirtschaftlichen Standpunkt zur Herstellung von Transistoren nicht angewandt werden konnte. Bei einem Transistor ähnlichen Typs wurde die veränderliche Verstärkung durch die Verwendung einer Anzahl unterschiedlicher Isolationsmaterialien für die verschiedenen Abschnitte des Isolators über die Längserstreckung der Gate-Elektrode erreicht. Solche Transistoren sind ebenfalls aus den zuvor genannten Gründen schwer herzustellen. Insbesondere gibt es nur eine beschränkte Zahl von Isolierstoffen, welche im Hinblick auf ihre Elektrizitätskonstanten, Durchschlagfestigkeiten, Wärmeausdehnungswerte und technologischen Möglichkeiten bei ihrer Ablagerung und beim nachfolgenden Fotoätzen verwendet werden können, Da-

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her war es schwierig, solche Transistoren herzustellen; vor allem konnten sie nicht mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden.

Bei einem anderen Transistortyp wurde die veränderliche Verstärkung durch Modifizieren der Leitfähigkeit über die Längserstreckung des Zwischenbereichs erreicht. Infolge der dem Transistor eigenen Charakteristiken war es jedoch sehr schwierig, die angestrebte Leitfähigkeitsmodifizierung mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen. Vor allem hat der Zwischenbereich eine Dicke von weniger als 100 2. und eine sehr geringe Leitfähigkeit. Demgemäß ist w die Steuerung einer solchen dünnen Schicht geringer Leitfähigkeit mit den derzeit zur Verfügung stehenden technologischen Mitteln unzweckmäßig; die sich ergebenden Transistoren haben sich als instabil und schlecht reproduzierbar erwiesen.

Bei einem anderen Transistortyp wird die Form der Gate-Elektrode modifiziert, um eine Verbreiterung des Strompfades zwischen den Source- und Draingebieten hervorzurufen. Aufgrund der Beschränkungen der gegenwärtigen Halbleitertechnologie wurden jedoch nur sehr geringe Änderungen der Verstärkung erreicht, so daß die praktische Brauchbarkeit dieser bekannten Ausführungsform gering war,

Es besteht gegenwärtig ein Bedarf nach einem Transistor mit veränderlicher Verstärkung, der auf einfache Weise und nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ökonomisch hergestellt werden kann und bei guter Reproduzierbarkeit eine große Verstärkungsänderung ermöglicht. Ein solcher Transistor wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen.

In den Zeichnungen zeigen:

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Fig, 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Transistors mit veränderlicher Verstärkung;

Fig, 2 eine Draufsicht auf den Transistor gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors;

Fig.4, 5 und 6 grafische Darstellungen der elektrischen Charakteristiken des Transistors gemäß den Fig. 1 und 2;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des. erfindungsgemäßen Transistors,

Die Fig, 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors 10 mit isolierter Gate-Elektrode. Der Transistor 10 ist schematisch als Teil eines integrierten Schaltkreises gezeigt; er kann jedoch auch gegebenenfalls als Einzelbauelement hergestellt werden. Der Transistor 10 weist einen Körper 12 aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps und Source- und Drain-Gebiete 14 bzw. 16 eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 12 des Transistors 10 vom P-Leitfähigkeitstyp, während die Source- und Drain-Gebiete 14 und 16 vom N+ Leitfähigkeitstyp sind. Die Source- und Drain-Gebiete 14 und 16 definieren die Enden mehrerer stromführender Wege steuerbarer Leitfähigkeit, welche generell als Zwischenbereich 18 bezeichnet werden. Eine Gate-Elektrode 20 ist über dem Zwischenbereich 18 angeordnet und von diesem durch einen Isolator 22 getrennt, Ohmsche Anschlüsse 24 und 26 sind über die Länge der Source- und Drain-Gebiete 14 und 16 vorgesehen. Sie bestehen gewöhnlich aus demselben Material wie die Gate-Elektrode 20,

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Die veränderliche Verstärkung wird dadurch erreicht, daß ein unterschiedlicher Abstand zwischen der Gate-Elektrode 20 und dem Drain-Gebiet 16 in einer zu den Stromwegen im Zwischenbereich 18 parallelen Richtung längs der Drain-Elektrode 16 vorgesehen wird«, Der unterschiedliche Abstand ist am besten aus Fig. 2 zu ersehen, welche eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Transistor 10 ist. Die Richtung des Stromflusses im Zwischenbereich 18 ist schematisch durch einen typischen Strompfad 28 dargestellt, der sich " vom Rand des Source-Gebiets 14 zu dem benachbarten Rand des Drain-Gebiets 16 erstreckt. Das Drain-Gebiet 16 und die Gate-Elektrode 20 sind so ausgebildet, daß die Breite der Ga- w te-Elektrode 20 geringer als die Längen wenigstens einiger der darunter liegenden Strompfade 28 ist. Darüber hinaus ist die Gate-Elektrode 20 vom Rand der Drain-Elektrode 16 um eine sich entlang der Drain-Elektrode 16 ändernde Strekke 29 entfernt. Bei dem Transistor 10 läuft der innengelegene Rand des Drain-Gebiets 16 unter einem Winkel zum inneren Rand des Source-Gebiets 14, wobei zwischen diesen beiden Rändern der Zwischenbereich 18 mit veränderlicher Breite ausgebildet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich die Isolierschicht 22 über den gesamten Zwischenbereich 18; in einem Längsabschnitt des Zwischenbereichs 18 überdeckt die Gate-Elektrode 20 jedoch nur einen Teil der Breite des Zwischenbereichs, wobei die der Drain-Elektrode zugewandte Kante der Gate-Elektrode parallel zum Source-Gebiet 14 verläuft. Wenigstens ein Teil des dem Drain-Gebiet 16 benachbarten Zwischenbereichs 18 ist also durch die Gate-Elektrode 20 nicht überdeckt, welch letztere in einem sich längs der Drain-Elektrode ändernden Abstand 29 vom Drain-Gebiet 16 angeordnet ist.

Infolge des unterschiedlichen Abstandes zwischen der Gate-Elektrode 20 und dem Drain-Gebiet 16 ist eine unterschiedliche Drain-Spannung nötig, um die verschiedenen Strompfa-

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de 28 bei einer gegebenen Gate-Spannung leitend zu machen. Da die Gate-Elektrode 20 nicht so breit ist, wie die Länge zumindest einiger der Strompfade 28, kann sie selbst nicht solche Strompfade 28 leitend machen, da sie die abseits liegenden Bereiche 29 der Strompfade 28 nur gering beeinflussen kann. Die Stromleitung in diesen Abschnitten wird bestimmt durch die Größe der Drain-Spannung und die durch sie im Zwischenbereich 18 hervorgerufene Sperrschicht. Wenn die Drain-Spannung zunimmt, wächst die Breite der Sperrschicht und verbindet sich mit einem größeren Teil der Strompfade unter der Gate-Elektrode 20. Daher wird mit zunehmender Drain-Spannung ein größerer Teil des Zwischenbereichs 18 leitend; demzufolge wächst, wie in Fig. 4 gezeigt ist, der Drain-Strom mit ansteigenden Drain-Spannungen bei einer vorgegebenen Gate-Spannung. Demgegenüber kommt der Drain-Strom eines normalen Transistors rasch in den Sättigungsbereich und flacht mit anwachsender Drain-Spannung ab.

Der Drain-Strom ist jedoch auch eine Funktion der Gate-Spannung, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie in Fig. 5, die den Drain-Strom als Funktion der Gate-Spannung für zwei verschiedene Drain-Spannungen darstellt, gezeigt ist, wächst der Drain-Strom mit anwachsender Gate-Spannung an. Er wächst bei hohen Drain-Spannungen stärker als bei niedrigen Drain-Spannungen, Demgemäß sind die Steilheit und die Verstärkung des Transistors 10 auch Funktionen der Drain-Spannung und der Gate-Spannung. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, in welcher die Steilheit gm als Funktion der Gate-Spannung für zwei unterschiedliche Drain-Spannungen aufgetragen ist. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wächst die Steilheit mit wachsender Gate-Spannung für eine beliebige Drain-Spannung an; eine ganze Schar von Verstärkungscharakteristiken wird durch Verändern der Drain-Spannung erreicht.

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Die Anstiegsgeschwindigkeit des Drain-Stroms und der Verstärkung des Transistors sind vom Abstand zwischen der Gate-Elektrode 20 und dem Drain-Gebiet 16 abhängig. Bei dem Transistor 10 gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel ändert sich, wie am besten aus Fig. 2 zu sehen ist, der Abstand 29 zwischen der Gate-Elektrode 20 und der Drain-Elektrode 16 linear mit der Längserstreckung der Drain-Elektrode β Daher wächst der Drain-Strom linear mit der Ausdehnung der Sperrschicht. Jedoch wächst die Sperrschicht nur mit der Quadratwurzel der Drain-Spannung, so daß entsprechend Fig. 4 der Drain-Strom bei höheren Drain-Spannungen langsamer anwächst.

Der lineare Abstand zwischen den Gate- und Drain-Gebieten kann auch mit dem in Fig. 3 gezeigten Transistor 40 erhalten werden. Der Transistor 40 ist ähnlich dem Transistor 10 gemäß Fig. 1 aufgebaut und weist einen Zwischenbereich 46 begrenzende Source- und Drain-Gebiete 42 und 44 sowie eine Gate-Elektrode 48 auf, die durch einen Isolator 50 vom Zwischenbereich 46 auf Abstand gehalten wird. Die Formen der Gate-Elektrode 48 und der Drain-Elektrode 44 sind jedoch umgekehrt wie diejenigen der entsprechenden Elektroden beim Transistor 10 ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Source- und Drain-Gebiete 42 und 44 zueinander parallel und begrenzen einen Zwischenbereich 46 gleichmäßiger Breite. Die Gate-Elektrode 48 verläuft jedoch an ihrem der Drain-Elektrode 44 zugewandten Rand diagonal zum Rand der Drain-Elektrode 44 und hat zumindest teilweise nicht die Breite wie die unter ihr befindlichen Strompfade. Daher hat die Gate-Elektrode 48 von der Drain-Elektrode 44 in einer parallel zu den Strompfaden verlaufenden Richtung einen sich linear zur Länge der Drain-Elektrode 44 ändernden Abstand.

Wenn unterschiedliche elektrische Charakteristiken er-

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wünscht sind, können auch andere Abstände zwischen der Gate- iind der Drain-Elektrode hergestellt werden. Wenn zum Beispiel mit höheren Spannungen größere Änderungen des Drain-Stroms hervorgerufen werden sollen, so kann der Transistor entsprechend Fig. 7 ausgebildet werden. Bei dieser Ausführungsform ist der variable Abstand zwischen den Gate- und Drain-Gebieten gekrümmt. Im besonderen Fall nimmt die differenzielle Zunahme des Abstandes mit anwachsendem Abstand ab. Daher wächst der Drain-Strom in stärkerem Maße linear mit der Drain-Spannung„ In ähnlicher Weise können andere Gate- Drain-Abstände auf einfache Weise hergestellt werden.

Außerdem kann die Gate-Elektrode das Drain-Gebiet überlappen oder nicht, sofern ein Abschnitt der Gate-Elektrode einen variablen Abstand vom Drain-Gebiet besitzt.

Der erfindungsgemäße Transistor kann auf einfache und ökonomische Weise hergestellt werden« Er paßt sich in übliche Fabrikationsmethoden ein und erfordert keine komplexen oder zusätzlichen Fabrikationsschritte. Es ist nur notwendig, die Geometrie der zur Ausbildung der Gate- und Drain-Gebiete verwendeten photolithographischen Masken geringfügig zu modifizieren, damit ein variabler Abstand zwischen den Gate- und Drain-Gebieten erzielt wird. Demzufolge kann der neue Transistor auf einfache und reproduzierbare Weise zusammen mit anderen elektrischen Bauelementen in einer integrierten Schaltung vereinigt werden, ohne daß zusätzliche Fabrikationsschritte erforderlich sind«,

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Claims

: 126303

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St_eA.)

Patentansprüche:

ή Feldeffekt-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode, d a -"'durch gekennzeichnet, daß die Enden einer Vielzahl von Strompfaden (28) steuerbarer Leitfähigkeit definierende Source- und Drain-Elektroden (14 und 16; 42 und 44) und eine von den Strompfaden durch einen Isolator (22; 50) getrennte Gate-Elektrode (20; 48) vorgesehen sind, und daß wenigstens ein Teil der Gate-Elektrode in einer Richtung parallel zu den Strompfaden von der Drain-Elektrode Abstand hat, wobei sich der Abstand in Längsrichtung der Drain-Elektrode ändert.

2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der variable Abstand längs der Drain-Elektrode (16; 44) linear ändert.

3. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstandsänderung gekrümmt ist.

4. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite wenigstens eines Teils der Gate-Elektrode (20; 48) kleiner als die Länge der unter der Gate-Elektrode verlaufenden Strompfade ist, und daß die Gate-Elektrode von der Drain-Elektrode mit einem Abstand angeordnet ist, der sich längs der Drain-Elektrode ändert.

5_e Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 4, dadurch

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ORIGINAt INSPECTED

gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Gebiete (14 und 16) mit gegenseitigem Abstand und unter
einem Winkel zueinander angeordnet sind, und daß die Gate-Elektrode (20) nahe und parallel zu dem Source-Gebiet verläuft.

6. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet., daß die Source- und Drain-Gebiete (42 und 44) parallel zueinander verlaufen, und daß die Gate-Elektrode (48) mit Abstand und unter einem Winkel zu dem Drain-Gebiet angeordnet ist.

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