DE2220789A1 - Feldeffekttransistor - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN . DIPL.-PHYS. ROBERT MUNZHUBER £ £ 4, U /o9

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN aa WIDENMAYERSTBASSE β TEL. (0811) 22 25 30-29 5192

. . 27. April 1972. Uns. Zeichen: A 109 72 -Ml/Iia

Firma HANDOTAI KENKYU SHIMDKAI₁ Sendai, Sendai-Shi, Miyagi-Ken, Japan.

Feldeffekttransistor

Die Erfindung "betrifft einen Feldeffekttransistor, Feldeffekttransistoren sind als eine Art aktives Element entwickelt zum direkten Steuern von Majoritätsträgern, die durch einen Halbleiter fließen. Da aber die herkömmlichen Feldeffekttransistoren keine so große Leifähigkeit gm haben und Sättigungseigenschaften zeigen, sind sie nicht für Verstärkung und Umkehrung bei einer Belastung niedriger Impedanz geeignet und auch nicht für hohe leistungsabgabe und für den Bereich hoher Frequenzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feldeffekttransistor zu schaffen, der eine relativ hohe Sperrspitzen-

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spannung, einen großen Ausgangsstrom und große Leitfähigkeit sowie einen großen Arbeitsfrequenzbereich besitzt. *

Gemäß den Prinzipien der Erfindung ist der Wert des Produktes aus einem Reihenwiderstand und der Leitfähigkeit kleiner als eins bei einem Feldeffekttransistor nach der Erfindung, der in einem Zustand betrieben werden kann ohne Punch-Through-Effekt, und in dem der Abreicherungsbereich immer geringer als die gesamte Kanallänge ist,

Wesen, Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung wird aus der nun folgenden eingehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung deutlich. Es zeigen*

Hg. 1 eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Feldeffekttransistors;

Fig. 2 charakteristische Kurven zur Erläuterung seiner Eigenschaften}

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen bekannten Feldeffekttransistorj

Fig. 4A, 4B und 40 Querschnitte zur Erläuterung von Feldeffekttransistoren nach der Erfindung;

Fig. 5 und 6 Querschnitte zur Darstellung weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele;

Fig. 7 einen Querschnitt, der einen Vielkanaltyp des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors zeigt; und

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Fig. 8 charakteristische Kurven zur Darstellung

der Eigenschaften des Feldeffekttransistors nach der Erfindung.

Um die Unterschiede zwischen den herkömmlichen Feldeffekttransistoren und demjenigen nach der Erfindung deutlicher hervortreten zu lassen, wird zunächst ein Feldeffekttransistor herkömmlicher Bauart beschrieben. Der in Fig. 1 dargestellte Feldeffekttransistor bekannter Art besteht aus einem Halbleiterkristall 1 der η-Type oder p-Type einer Source-Elektrode 2 an einem Ende des Halbleiterkristalls 1, einer Drain-Elektrode 3 am gegenüberliegenden Ende des Halbleiterkristalls 1 und einem Paar Gate-Elektroden 4- und 4-a, welche Gates Gleichrichter-Eigenschaften haben und auf gegenüberliegenden Seitenflächen des Halbleiterkristalls 1 angebracht sind. Eine Gleichspannungsquelle Vjj liegt zwischen Source 2 und Drain $ und bewirkt den Fluß eines Drainstromes I_D, während als Vorspannung V„ eine Gleichspannung'zwischen Source 2 und dem Paar zusammengehörender Gate-Elektroden 4- und 4a liegt, wodurch der Drainstrom I^ gesteuert wird.

Außer diesen Feldeffekttransistoren der Junction-Type gibt es noch Feldeffekttransistoren der MOS-Type, die jedoch nach ähnlichem Prinzip arbeiten wie der Junction-,

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M- —

Typ-Feldeffekttransistor. Im Junction-Typ-Feldeffekttransistor werden Majjoritäts-Träger durch eine Steuerspannung gesteuert im Gegensatz zu bipolaren Transistoren, so daß der Junction-Typ-Feldeffekttransietor Vorteile hat wie hohe Eingangs-Impedanz, keinen Speichereffekt, geringes Hauschen und gutje Leitfähigkeits-IÜgensehaften. Der Feldeffekttransistor der Junction-Type hat darum ein weites Anwendungsfeld gefunden einschließlich der Verstärkung von Tonsignalen·

Sie Kurvendarstellungen der Fig. 2 zeigen, daß der Drain-Strom I^ nach einer Linie linear anwachst, die durch einen spezifischen Widerstand und die geometrische Gestalt des Halbleiterkristalls 1 (z. B. Silizium) nach dem Ohmschen Gesetz bedingt ist, solange die zwischen Source und Drain anliegende Spannung V^ noch niedrig ist. Der Drainstrom Ijj gelangt jedoch mit zunehmender Abschnürspannung V , deren Herkommen und Eigenschaft unten noch beschrieben wird, in Sättigung, so daß der herkömmliche Feldeffekttransistor eine Sättigungseigenschaft ähnlich einer Pentode hat.

Diese Sättigung ist durch einen Abschnüreffekt hervorgerufen, in welchem ein Kanal, der zwischen den Gates

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4· und 4a besteht und durch den der Source-Drain-Strom 1* fließt, im wesentlichen unterbunden ist durch Abreicherungsschichten 5 und 5a· Dadurch kann der Source-Drain-Strom nicht fließen. Genauer gesagt, weil eine geringe Anzahl von Trägern sich noch in den Abreicherungsschichten 5 und 5a befindet, gleichen sich das Anwachsen und das Abschnüren des Source-Drain-Stroms I^ aus in einem Bereich, der die Abschnürspannung übersteigt.

Die Abschnür spannung, V , bei der der Source-Drain-Strom Ip in Sättigung kommt, wird durch die Gate-Spannung Yq und die geometrische Gestalt des Halbleiters 1 bestimmt. Venn also eine Donator-Dichte, eine elektrische Einheitsladung und eine Kanalbreite mit N, q und a bezeichnet werden, dann kann die Abschnürspannung Y folgendermaßen definiert werdens

V_p - Q N a² - Y_G ..CD,

2 e

worin e die elektrische Konstante des Halbleiters 1 ist. Venn der H#ihenwiderstand und der Sättigungsstrom zu E₈ und It₁Q- angenommen werden, dann kann die Abschnürspannung Y definiert werden zus

"¹DSs

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— b —

In diesem IPaIl ist dann der Leitwert gm im wesentlichen gleich 1/H nach folgender Gleichung zu "berechnen:

Nachfolgend werden Ergebnisse von Untersuchungen· des Erfinders aufgeführt, um die Merkmale der Erfindung gegenüber bekannten Feldeffekttransistoren deutlich aufzuzeigen. Fig· 3 zeigt einen herkömmlichen Feldeffekttransistor, der einen n-Typenkanal 8, eine ßource-Elektrode 6 und eine Drain-Elektrode 7 hat, die auf derselben Ebene angebracht sind, denn der Abstand zwischen der ßource-Elektrode 6 und dem Kanal 8 oder der Abstand zwischen der Drain-Elektrode 7 und dem Kanal 8 ist für gewöhnliche Planartechnik relativ lang. Außerdem hat diese Art Feldeffekttransistor eine große Kanallänge L von mehr als einigen 10yu, und das Verhältnis von Länge zu Breite L/a beträgt mehrere 10 bis 100. Der Drainstrom beträgt etwa 10 Milli-Ampereund der Leitwert gm ist weniger als 10 Milli-Siemens, während die Ausgangsleistung ungefähr 100 Milliwatt erreicht.

Der Feldeffekttransistor iet also für Verstärkung und Umwandlung bei einer Belastung niedriger Impe-

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danz ungeeignet und ebenfalls für hohe Leistungsabgabe und für einen Bereich hoher Frequenz.

Diese Nachteile des herkömmlichen Feldeffekttransistors sind in dem relativ großen Wert der Summe des Widerstandes von Source zu Kanal, des Widerstandes des relativ langen Kanals und des Widerstandes vom Kanal zur Drain-Elektrode begründet. Da der Kanal eng und lang ist, so daß sein Widerstand besonders groß wird, kann bei Schwankungen der Breite der Abreicherungsschichten ein großer Leitwert nicht erreicht werden wegen der Sättigungseigens chaft·

Mit anderen Worten, wenn der echte Leitwert mit Gm bezeichnet wird, muß der erscheinende Leitwert gm in Anbetracht des Reihenwiderstandes R_ folgendermaßen bestimmt werden:

gm m Gm / (1 + R . Gm)

Der tatsächlich erscheinende Leitwert ist jedoch im wesentlichen gleich dem echten Leitwert Gm, so daß die Wirkung des Reihenwiderstandes H_ auf die Eigenschaften des Feldeffekttransistors üblicherweise vernachlässigt werden.

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Untersuchungen des Erfinders haben gezeigt, daß der erscheinende Leitwert gm im wesentlichen gleich dem echten Leitwert Gm ist, wenn das Produkt R . Gm kleiner als 1 ist. Herkömmliche Feldeffekttransistoren genügen jedoch dieser Bedingung nicht, so daß sie kleine Werte des erscheinenden Leitwerts gm und des Bruches 1/R_ haben.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den Figuren 4A, 4-B und 40 gezeigt sind, bestehen aus einem Halbleiterkristall 1 (ζ. B. Silizium oder Germanium) von geringer Länge und geringer Dicke, bei denen eine Source-Elektrode 9 und eine Drain-Elektrode 10 auf jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen des Halbleiterkristalls 1 angebracht ist. und ein Paar Gate-Elektroden 12 und 12a an gegenüber liegenden Seitenkanten des Halbleiterkristalls vorgesehen sind, die mit Vorsprüngen in den Halbleiterkristall derart eingesetzt sind, daß diese einander gegenüberstehen. Der Kanal hat ein Verhältnis von Länge zu Breite L/a von ungefähr 1 oder 2/10. Die Gates 12 und 12a in Fig. 4A besitzen abgerundete Vorsprünge. In Fig. 4-B sind die Gates 12 und 12a mit keilförmigen Vorsprüngen ausgestattet. Die Vorsprünge der Gates 12 und 12a bei dem Beispiel nach Fig. 4-C sind halfckugelförmig. Als Ergebnis dieser Gestaltung wird der Ab-

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stand von der Source-Elektrode 9 zum. Kanal·, kürzer^ und die effektive Länge des Kanals 11 wird ebenfalls kürzer. Sie Form der Abreicherungsschichten 15 und 13a schwankt in der Gestalt der Vorsprünge der Gate-Elektroden 12 und 12a, und die geringste Breite des Kanals befindet sich immer am Hittelpunkt zwischen den einander gegenüberstehenden Torsprüngen der Gates 12 und 12a.

Das Gate-Elektroden-Paar12 und 12a kann auch die Form von abgeflachten Kugelkörpern oder flachen Eingen von geringer Dicke haben.

Der Feldeffekttransistor, wie er in den Figuren 4A, 4B und 40 dargestellt ist, hat eine Vjj/I_D und eine I-V Charakteristik, die einer gewöhnlichen Charakteristik einer Vakuum-Triode entspricht, nämlich eine Charakteristik des Drain-Stroms ohne Sättigung,wenn das Produkt aus gm . H kleiner als 1 ist. In diesem Fall ist der Beihenwiderstand die gesamtsumme des Widerstandes von Source 9 zum Kanal 11, des Widerstandes vom Kanal 11 und des Widerstandes des Bereichs der Drain-Elektrode 10. Der Feldeffekttransistor hat also keine Sättigungseigenschaften und kann an seinem Ausgang eint hohe Leistung bei geringem Verzerrungsfaktor abgeben. Außerdem hat der Feldeffekttransistor einen hohen

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Leitwert während der Wert des EeihenwiderStandes B im

wesentlichen konstant unabhängig von Schwankungen der zugeführten Spannungen ist. Der erscheinende Leitwert gm des Feldeffekttransistors nach der Erfindung ist im wesentlichen gleich dem* tatsächlichen'Leitwert Gm, der bei Abweichungen der Breite des Kanals 11 zwischen den Abreicherungsschichten 13 und 13a gegeben ist.

Die zulässige Spannung zwischen Source 9 und Drain 10 kann nochnerhöht werden, wenn eine n⁺ dotierte Schicht auf die n~ Schicht durch epitaxLales Aufdampfen aufgebracht wird, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Die Spitzensperrspannung des Feldeffekttransistors kann zusammen mit dem brauchbaren dynamischen Bereich durch Einfügen einer inneren Schicht 16 (i) erhöht werden, wenn diese zwischen eine hochdotierte n⁺- Schicht 14 von niedrigem Widerstand und eine niedrig dotierte n~ - Schicht 15 höheren Widerstands eingefügt wird, wie dies Fig. 6 zeigt·

In Fig. 7 ist ein Ausführungebeispiel der Erfindung als Mehrkanaltype gezeigt, bei der ein Siebgate 12b eines p-ÜJypen-Halbleiters zusammen mit den Gates

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12 und 12a als p-Typen Halbleiter gebildet ist. Bei einem bestimmten Herstellungsverfahren dieses Ausführungsbeispiels wird (i) auf einer Fläche einer Zwischenschicht eine η -Schicht 15 von geringerem Widerstand durch kristallines Aufwachsen oder Diffusion von Störstellen erzeugt; (ii) das Siebgäte 12b eines p-Typen-Halbleiters auf der anderen Oberfläche der Zwischenschicht 16 durch selektive Diffusion oder selektives kristallines Aufwachsen gebildetj und (iii) eine n⁺-Schieht von niedrigem Widerstand auf dem Siebgate 12b erzeugt. Source 9 und Drain 10 werden dann mit Ohmschem Kontakt auf den Schichten 14 und 15 befestigt. Die Zwischenschicht 16 und die n⁺ Schicht 15 werden in die Mesa-Porm umgewandelt, um einen · Break-Down auf der Oberfläche des Kristalls zu vermeiden. Die vorstehend genannten Schritte (i), (Ü) und (iii) können in ihrer Reihenfolge vertauscht werden. Bei dem beschriebenen Beispiel sind die Schichten 14 und 16 aus η-Typen Halbleiter aufgebaut, während das Siebgitter 12b aus p-Typen Halbleiter gebildet ist. Es ist jedoch auch umgekehrt möglich, die Schichten 14 und 16 aus p-Typen-Halbleiter und das Siebgate 12b als n-Typen-Halbleiter herzustellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Kanal ein Verhältnis von Länge zu Breite L/a, das ungefähr den sehr kleinen Wert 0,2 hat. Typische Eigenschaften

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eines Feldeffekttransistors mit derartigem Aufbau sind in Fig. 8 wSsLergegeben. Der Feldeffekttransistor hat einen Strom zwischen Source und Drain von 100 Milli-Ampere, einen Leitwert gm von 100 Milli-Siemens und eine Ausgangsleistung von mehreren Watt, was ein Zigfaches gegenüber den herkömmlichen Eigenschaften bedeutet. Es läßt sich nach' den Prinzipien der Erfindung ein Feldeffekttransistor mit einigen Kilowatt Ausgangsleistung herstellen.

Das Erfindungsprinzip läßt sich auch anwenden bei einem Feldeffekttransistor der Injektionstype, bei dem Minoritätsträger von einer hochdotierten Quelle injiziert werden, so daß die· Träger äußerst stark zunehmen im Vergleich zur eigentlichen iDragerdichte des Kanals.

Um die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik zu verdeutlichen, werden einige Beispiele, in denen Feldeffekttransistoren mit Triodencharakteristik beschrieben werden, nachstehend aufge- . führt. Eine Form ist entwickelt worden von E. Zuleeg, Boeing Co. und verwirklicht worden durch Ausnutzung des Lavineneffekts nahe den Gates. Es ergab sich dabei jedoch ein Lawinenstrom an den Gates, so daß deren Impedanz er-

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heblich vermindert wurde, womit der Transistor die Eigenschaften eines Feldeffekttransistors verlor. Bei einem anderen Versuch entsteht ein Durchlöcherungs-Effekt für den Source-Strom, da die Spannung der Drain-Elektrode auf die Source-Elektrode einwirkt,»durch der Kanal vollständig, zur Abreicherungsschicht wird, die auf dieSource-Elektrode hin gerichtet ist. (s. "Irans, on Electron Device" Vol. ED-16, Hb. 9» Sep. 1969, P 759> "Modulation of Space Charge Limited Current !Flow in Insulated Gated Meld" - Effect Detrodas Poul Eichman). Ein solcher Durchlöcherungseffekt tritt bei einem Element, das in dieser Druckschrift vorgeschlagen wird, nicht auf, solange die Kanallänge kurz ist und die Störstellen im Kanal vernachlässigbar sind. Die Bemessung eines derartigen Elementes ist deshalb sehr schwierig. Außerdem ist der dynamische Bereich der Gate-Spannung sehr eng, während die Spitzensperrspannung niedrig ist·

der Erfindung können die Nachteile herkömmlicher Feldeffekttransistoren wirksam ausgeschaltet werden, während ihre Vorteile erhalten bleiben.

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Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE

1.) Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleiterkristall, je einer Source- und einer Drain-Elektrode, die an den "beiden Enden des Halbleiterkristalls angebracht sind, und Gates, die auf den Seiten des Halbleiterkristalls vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt des Beihenwiderstandes (R_)-und des Leitwertes (gm) des Feldeffekttransistors kleiner als eins ist, so daß er in einem Zustand ohne Punch-Through-Effekt arbeiten kann, wobei die Abreicherungszone stets kleiner als die gesamte Länge des Kanals ist.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB das Verhältnis aus Kanallänge (L) und Kanalbreite (a) ungefähr zwei bis drei Zehntel ohne Abreicherungsscächt ist.

3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gates (12, 12a) auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkristalls (1) vorgesehen und mit Vorsprüngen in den Halbleiterkristall (1) eingesetzt sind, die einander gegenüberstehen, wobei die

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Form der Abreicherungsschichten der Gestalt der Vorspränge entspricht (Fig. 4A, 4B und 40).

4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge vorn abgerundet sind.

5· Feldeffekttransistor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge keilförmig sind.

6. Feldeffekttransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge Halbkugelform haben.

7· Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gates als Hing mit geringer Dicke im Vergleich zum Durchmesser ausgebildet sind.

8. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall eine hochdotierte η -Schicht (14) von geringem Widerstand und eine niedrigdotierte n~"-Schicht (15)» die mit der η -Schicht (14) verbunden ist, besitzt und die Gates entlang der Grenzzone zwischen den beiden Schichten (14, 15) vorgesehen sind (Fig. 5).

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9. . Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7? dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall aus einem inneren Kristall (16), einer hochdotierten n⁺-ßchicht (14) mit niedrigem Widerstand auf einer Fläche des inneren Kristalls (16) und einer niedrig-dotierten n~-ßchicht (15) mit hohem Widerstand auf der anderen Oberfläche des' inneren Halbleiterkristalls (16) zusammengesetzt ist und die Gates auf der Grenzschicht zwischen der hoch-dotierten n^Schicht (14) und dem inneren Halbleiterkristall (16) angeordnet sind (Fig. 6).

10. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall aus einem inneren Halbleiterkristall (16) und η-Typ Schichten (14, 15) zusammengesetzt ist, die auf die beiden einander gegenüber liegenden Flächen des inneren Halbleiterkristalls (16) aufgebracht sind, und die Gates p-Typ Halbleiter in Gitterform (12b) auf der Grenzschicht zwischen dem inneren Halbleiterkristall (16) und einer η-Typ Schicht (14 oder.15) sind (Fig. 7).

11. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall aus einem inneren Halbleiterkristall (16) und auf seine bei-

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den gegenüberliegenden Flächen aufgebrachten p-Typ Schichten (14-, 15) zusammengesetzt ist und die Gates ein aus n-UJyp Halbleiter bestehendes Siebgitter (*12b) auf der Grenzschicht zwischen dem inneren Halbleiterkristall (16) und einer p-Typ Schicht (14 oder 15) sind (!ig. 7).

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