DE2424947C2

DE2424947C2 - Wanderwellen-Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE2424947C2
Application number: DE2424947A
Authority: DE
Inventors: Takashi Nishinomiya Hyogo Kitsuregawa; Jun-ichi Sendai Miyago Nishizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Semiconductor Research Foundation
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1974-05-22
Publication date: 1982-12-16
Also published as: NL7406911A; CA1003121A; SE423657B; US4297718A; FR2231114A1; JPS5546068B2; DE2424947A1; JPS5012982A; FR2231114B1; SE424119B; SE7710302L; SE7710301L

Description

Die Erfindung betrifft einen Wanderwellen-Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen, einem Source-Bereich, einem Gate-Bereich und einem Drain-Bereich, einer mit dem Gate-Bereich verbundenen Eingangselektrode, einer mit dem Drain-Bereich verbundenen Ausgangselektrode und einer mit dem Source-Bereich verbundenen gemeinsamen Leitung.

Ein derartiger Wanderwellen-Feldeffekttransistor ist aus der Zeitschrift »The Journal of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan«, Vol. 50, Nr. 12, Dezember 1967, S. 1 und 2 bekannt. Bei diesem Wanderwellen-Feldeffekttransistor sind die Elektroden in eine Vielzahl länglicher und schmaler Abschnitte aufgeteilt, die mit einer Induktivität versehen sein können, so daß die Elektrodenabschnitte mit dieser Induktivität und mit der diesen Elektrodenabschnitten betreffenden Kapazitäten eine Übertragungsleitung bilden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen solchen Aufbau eines Wanderwellen-Feldeffekttransistors der eingangs definierten Art anzugeben, bei dem eine Einstellung bzw. Kompensation der Phasenverschiebungen der Signale an den jeweiligen Anschlüssen in einfacher Weise möglich ist.

Ausgehend von dem Wanderwellen-Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Source-Bereich auf dereinen Hauptfläche des Halbleitersubstrates angeordnet ist, daß der Drain-Bereich aus mehreren länglichen und schmalen Abschnitten, die in die andere Hauptfläche des Halbleitersubstrates eingebettet sind, und der Gate-Bereich aus mehreren länglichen schmalen Abschnitten in einer zwischen den beiden Hauptflächen gelegenen Ebene besteht

Durch die Erfindung werden gegenüber dem bekannten Wanderwellen-Feldeffekttransistor verschiedene Vorteile erreicht Durch die Halbleiterbereiche mit hoher Fremdatomkonzentration, die in das Halbleitersubstrat eingebettet sind, wird eine Induktivitat erzeugt, durch welche eine Verminderung der Eingangsimpedanz bei hohen Frequenzen verhindert wird. Der Wanderwellen-Feldeffekttransistor nach der Erfindung besitzt daher Eigenschaften, die auch bei hohen Frequenzen praktisch unverändert bleiben. Mit Hilfe des Wanderwellen-Feldeffekttransistors nach der Erfindung können praktisch alle Probleme ausgeräumt werden, die dann auftreten, wenn Feldeffekttransistoren hohe Leistungen bei hohen Frequenzen erzeugen sollen. Auch kann ein Wanderwellen-Feldeffekttransistor mit den Merkmalen nach der Erfindung in geringer Größe und mit niedrigem Gewicht hergestellt werden. Dies beruht darauf, daß der Wanderwellen-Feldeffekttransistor nach der Erfindung in Form eines kompakten Bauelementes hergestellt werden kann, so daß die Notwendigkeit der Anbringung von zusätzlichen Komponenten an dem Feldeffekttransistor entfallen kann.

Beronuers vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jo Patentansprüchen 2 und 3.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild, welches in Form J5 eines Vierpolnetzwerks eine einem herkömmlichen Halbleiterelement äquivalente Übertragungsleitung veranschaulicht,

F i g. 2 ein F i g. 1 ähnelndes Schaltbild, das jedoch eine der Erläuterung des Erfindungsprinzips dienende •ίο Übertragungsleitung zeigt,

F i g. 3 eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische Darstellung eines Wanderwellen-Feldeffekttransistors mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig.4 ein Schaltbild eines einem Abschnitt der Anordnung gemäß F i g. 3 äquivalenten Schaltkreises,

F i g. 5 einen schematischen Teilschnitt durch eine noch weiter abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 ist in Form eines Vierpolnetzwerks eine Übertragungsleitung dargestellt, die für ein herkömmliches, mit hoher Frequenz betriebenes Halbleiterelement repräsentativ ist. Die in Fig. 1 dargestellte Übertragungsleitung weist lediglich gleichmäßig über ihre Länge verteilte parallele Kapazitäten auf, wobei jede Längeneinheit eine Kapazität C aufweist, während die Leitung jedoch keine Reihen-Induktivität enthält. Aus diesem Grund besitzt die Übertragungsleitung je Längeneinheit eine Impedanz, die sich durch \lju>C ausdrücken läßt, worin j die imaginäre Einheit und ω die Frequenz eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung für die Leitung bedeuten. Die Impedanz l//o)C hängt unmittelbar von der Frequenz dieses Stroms oder dieser Spannung ab und vermindert sich bei zunehmender Frequenz. Bei Feldeffekttransistoren tjj der durch die Übertragungsleitung gemäß Fig. 1 dargestellten Art verringert sich mithin die Impedanz, wenn sich die Frequenz erhöht.

F i g. 2 zeigt eine Übertragungsleitung, die theoretisch

fur einen erfindungsgemäß aufgebauten und bei hoher Frequenz betriebenen Feldeffekttransistor repräsentativ ist Aus einem Vergleich von Fi g. 2 mit Fi g. 1 geht hervor, daß sich die Übertragungsleitung gemäß F i g. 2 nur dadurch von derjenigen gemäß Fig. ι unterscheidet, daß in F i g. 2 je eine induktivität / zwischen jeweils zwei Parailel-Kapazitäten C geschaltet ist, so daß eine Z--C-Leiter-Schaltung gebildet wird. Wenn die Übertragungsleitung beispielsweise eine Länge /, eine Induktivität L eine Kapazität C pro Längeneinheit besitzt, läßt sich die charakteristische Impedanz Zo durch ]fL/C ausdrücken, was nicht von der Frequenz abhängig ist.

Angenommen, ein elektrischer Leiter besitzt eine Länge / und einen Durchmesser d, dann besitzt der Leiter im Hochfrequenzbereich eine Induktivität L, die r, sich durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

— - 1 ) (Nanohenry)

L = 21

Beispielsweise sei angenommen, daß die Induktivität L bei / = 5 mm und d = 25 μιη 5,5 Nanohenry und bei / = 1 cm und d = 1 μιη etwa 19 Nanohenry beträgt

Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, daß zum Zwecke der Hinzufügung einer Induktivität ein in ein Halbleitersubstrat eingebetteter Halbleiterbereich mit hoher Fremdatomkonzentration mit großer Leitungslänge / und kleinem Leitungsdurchmesser d d. h. ein dünnes und langgestrecktes Element in dessen nt Innerem vorgesehen werden muß.

F i g. 3 veranschaulicht einen Teil eines Wanderwellen-Feldeffekttransistors mit Merkmalen nach der Erfindung. Die dargestellte Anordnung weist ein Substrat 10 aus einem Halbleitermaterial, einen auf der Ji einen Fläche, bei der dargestellten Ausführungsform auf der gesamten Oberseite gemäß F i g. 3 angeordneten Source-Bereich 12, einen in den Mittelteil des Substrats 10 eingebetteten Gate-Bereich 14 und einen an der Unterseite des Substrats 10 in dieses eingebetteten Drain-Bereich 16 auf.

Der Source-Bereich 12 ist außerdem mit Masse verbindbar. Gate- und Drain-Bereiche 14 bzw. 16 besitzen hohe Fremdatomkonzentration und sind beispielsweise in drei bzw. zwei langgestreckte, schlanke oder dünne Finger unterteilt, um jedem dieser Bereiche 14 und 16 die vorher erwähnte Induktivität zu verleihen. Die beiden Bereiche 14 und 16 liefen an den benachbarten Flächen des Substrats 10 teilweise frei, und ihre freiliegenden Flächen sind jeweils mit zugeordneten Elektroden, wie den Elektroden 14' für den Gate-Bereich 14 gemäß F i g. 3 versehen.

Um den in F i g. 3 dargestellten Feldeffekttransistor in die Form eines Netzwerks mit nichtstptionären Konstanten mit einer Vielzahl von parallelen L-C-Ketteneinheiten zu bringen, wird der Drain-Bereich vorzugsweise in möglichst viele Finger unterteilt, die jeweils so langgestreckt und dünn wie praktisch möglich sind.

Der Feldeffekttransistor gemäß F i g. 3 besitzt einen äquivalenten Source-Gate-Stromkreis der Art gemäß Fig.4. An den in Fig.3 mit 12 und 14 bezeichneten Source- und Gate-Bereichen bilden sich Verarmungsschicht-Kapazitäten, die in F i g. 4 durch je einen Kondensator C angedeutet sind, während an den Gate-Bereich 14 die ihm hinzuzufügenden Induktivitäten L in Reihe angeschlossen sind. Die Kapazitäten C und Induktivitäten L sind frequenzunabhängig und vermögen die Impedanz zu erhöhen. Der Gate-Drain-Kreis, der Source-Drain-Kreis und der Source-Gate-Kreis besitzen eine äquivalente Schaltung, die der äquivalenten Schaltung gemäß F i g. 4 entspricht.

Weiterhin können die Drain-Bereiche 16 außenseitig durch induktive Elemente miteinander verbunden sein. Die induktiven Elemente vermögen eine zwischen Source- und Gate-Bereich 12 bzw. 14 auftretende Phasenverschiebung durch die zwischen Gate- und Drain-Bereich 14 bzw. 16 auftretende Phasenverschiebung zu kompensieren.

Gewünschtenfalls kann eine von den induktiven Elementen abgestrahlte elektromagnetische Welle zu einer äußeren Nutzvorrichtung übertragen werden.

In Fig.5, in welcher den Teilen von Fig.3 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß F i g. 3 dargestellt, welche sich nur darin von der Konstruktion gemäß F i g. 3 unterscheidet, daß mit jedem Drain-Bereich 16 ein äußeres induktives Element L_c verbunden ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 ist der Drain-Bereich 16 in mehrere Finger unterteilt, um eine zwischen Source- und Gate-Bereich 12 bzw. 14 auftretende Phasenverschiebung durch diejenige zwischen Gate- und Drain-Bereich 14 bzw. 16 zu kompensieren. Die mit den Drain-Bereichen 16 verbundenen äußeren induktiven Elemente L_c bewirken eine Hochfrequenzkompensation und können eine durch die Schwingung des Feldeffekttransistors erzeugte elektromagnetische Welle zu einer zweckmäßigen Nutzvorrichtung, beispielsweise einem elektronischen Herd übertragen.

Die Anordnung gemäß F i g. 5 kann somit als Oszillator für einen elektronischen Herd od. dgl. benutzt werden. In diesem Fall können die induktiven Elemente effektiv an ein Horn oder einen Resonator im elektronischen Gerät angekoppelt werden.

Schließlich kann mit jedem der freiliegenden Abschnitte der Gate- und Drain-Bereiche ein sich über die Länge des betreffenden Bereichs erstreckender Streifen aus magnetischem Material hoher Permeabilität in ohmschen Kontakt stehen, wobei dann die Metallelektroden auf den Streifen aus magnetischem Material angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wanderwellen-Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen, einem Source-Bereich, einem Gate-Bereich und einem Drain-Bereich, einer mit dem Gate-Bereich verbundenen Eingangselektrode, einer mit dem Drain-Bereich verbundenen Ausgangselektrode und einer mit dem Source-Bereich verbundenen gemeinsamen Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Bereich (12) auf der einen Hauptfläche des Halbleitersubstrates (10) angeordnet ist, daß der Drain-Bereich (16) aus mehreren länglichen und schmalen Abschnitten, die in die andere Hauptfläche des Halbleitersubstrates (10) eingebettet sind, und der Gate-Bereich (14) aus mehreren länglichen schmalen Abschnitten in einer zwischen den beiden Hauptflächen gelegenen Ebene besteht.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem der freiliegenden Abschnitte der Gate- und Drain-Bereiche ein sich über die Länge des betreffenden Bereichs erstrekkender Streifen aus magnetischem Material in ohmschen Kontakt steht und daß die Metall-Elektroden auf den Streifen aus magnetischem Material angeordnet sind.

3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Metall-Elektroden in ohmschen Kontakt mit den Abschnitten des Drain-Bereichs (16) stehen und außenseitig durch induktive Elemente (Le) miteinander verbunden sind.