DE2619663B2 - Feldeffekttransistor, Verfahren zu seinem Betrieb und Verwendung als schneller Schalter sowie in einer integrierten Schaltung - Google Patents

Feldeffekttransistor, Verfahren zu seinem Betrieb und Verwendung als schneller Schalter sowie in einer integrierten Schaltung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
In der Festkörper-Elektronik sind verschiedene Bauelemente bekannt, in deren Strom-Spannungs-Charakteristik Bereiche mit negativem differentiellen Widerstand auftreten. Bauelemente dieser Art sind z. B. Tunnel-Dioden, Gunn-Elemente und IMPATT-Dioden. Ein weiteres Bauelement mit negativem differentiellen Widerstand ist der Cryosar, in dem ein avalanche-Durchbruch ausgenutzt wird, der bei tiefen Temperaturen in einem Halbleiter durch Stoßionisation von Dotierstoff teilchen ausgelöst wird (Proa of the IRE, 1959, S. 1207 -1213). Derartige Bauelemente werden bevorzugt als schnelle Schalter verwendet, da ihre Schaltzeit unterhalb von 10~8 see liegt, und weiter auch als Erzeuger für elektrische Schwingungen im GHz-Bereich. Diese Bauelemente sind Zweipole, deren Arbeitspunkt — und damit auch die Frequenz der mit ihnen erzeugten Schwingungen — von ihrem Aufbau und von der an sie angelegten Betriebsspannung abhängt
Soll beispielsweise in einem mit einem Gunn-Element ausgerüsteten Schwingkreis die Schwingfrequenz verändert werden, so muß die unmittelbar an dem Gunn-Element anliegende Betriebsspannung verändert werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Bauelemente dieser Art ist daß sie nicht mit den zur Herstellung von MIS-Bauelementen angewendeten Verfahren hergestellt werden können und daß sie aus diesem Grund nicht zum Aufbau in integrierten Schaltkreisen geeignet sind. Wünschenswert sind Bauelemente mit einem negativen differentiellen Widerstand, deren Arbeitspunkt außer durch Variation der Betriebsspannung durch eine weitere Hilfsspannung erfolgen kann. Dabei sollte die Steuerung mittels dieser Hilfsspannung möglichst leistungslos erfolgen können. Weiterhin sollte der Aufbau des Bauelementes zusammen mit anderen MIS-Bauelementen erfolgen können. Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Bauelement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Feldeffekttransistor gelöst der gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgebaut ist
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Grundgedanke des neuen Bauelementes besteht darin, daß durch einen räumlich begrenzten Einbau von Dotierstoffteilchen in einem weiteren, zweiten Kanal
so bei Anliegen einer genügend hohen Spannung zwischen der Source- und der Drain-Elektrode ein elektrischer Durchbruch zwischen Source- und Drain-Elektrode stattfinden kann, und daß ein solcher Durchbruch in der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes zu einem Bereich mit einem negativen differentiellen Widerstand führt Wird an die Gate-Elektrode eine Spannung angelegt so werden durch das von der Gate-Elektrode erzeugte Feld im Halbleiter auch die Potentialverhältnisse in dem zweiten Kanalbereich und damit das Durchbruchsverhalten verändert Damit läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor der negative differentielle Widerstand auch durch die an die Gate-Steuerelektrode angelegte Spannung variieren. Die gegenüber einem herkömmlichen Feldeffekt-
fe5 transistor zusätzlich eingebauter, Dotierstoffteilchen können durch Ionenimplantation oder auch durch Diffusion in den Halbleiterkörper eingebracht werden. Diese zusätzliche Dotierung erfolgt in der Weise, daß
das Maximum im Konzentrationsverlauf dieser Dotierstoffteilchen in einem Bereich bis zu 1 um unterhalb der Oberfläche des Halbleiters liegt Dabei kann der weitere, zweite Kanal in der Zone des Oberflächenkanals liegen oder sich mit ihr überlapper· oder auch unterhalb davon liegen. Das Konzentrationsmaximum der Dotierstoffteilchen dieses zweitpn Kanals liegt vorzugsweise dabei wenigstens 5 ran von der Substratoberfläche entfernt
Für den zweiten Kanal kommt unabhängig vom Leitungstyp des Substrates sowohl Donator- als auch Akzeptormaterial in Betracht Als Dotierstoffteilchen für den zusätzlichen Kanalbereich werden bevorzugt solche Dotierstoffe verwendet, die in dem Halbleitermaterial des Feldeffekttransistors schlecht thermisch ionisiert werden. So wird beispielsweise bei p-leitendem Silizium der weitere Kanalbereich mit Schwefel oder mit Zink dotiert, da die Störterme der Schwefel-Dotierung um 0,18 eV von der Leitungsbandkante, die Störterme der Zink-Dotierung um 03ItV von der Valenzbandkante entfernt liegen. Damit liegt die thermische Ionisierung dieser Dotierung im weiteren, zweiten Kanal bei Zimmertemperatur [T= 300°K) für Schwefel als Dotiermaterial bei einem Anteil von
0,1»
e" h- = 0,1%
(k bedeutet die Boltzmannkonstante), bei Zink-Dotiermaterial bei einem Anteil von
0,31
e~ *r = 0,001%
und ist damit sehr schwach.
Die thermische Ionisierung anderer Dotierstoffteilchen, deren Störterme näher an der Valenzbandkante bzw. an der Leitungsbandkante liegen, kann dadurch unterdrückt werden, daß gemäß einem bevorzugten Betriebsverfahren für den erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor das gesamte Bauelement abgekühlt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Temperaturen unterhalb von 77° K in Silizium durch Ionenimplantation oder durch Diffusion eingebrachtes Arsen oder Indium nicht mehr ionisiert ist und daher bei kleinen Source-Drain-Spannungen zu der Leitfähigkeit zwischen Source und Drain des Feldeffekttransistors nichts beiträgt Bei dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor kann somit der zweite, weitere Kana! auch mit energetisch in Bandkantennähe liegenden, thermisch ionisierbaren Dotierstoffen dotiert werden, wenn durch Wahl der Betriebstemperatur gewährleistet wird, daß beim Betrieb in dem zweiten, weiteren Kanal eine thermische Ionisation des zusätzlich eingebrachten Dotierstoffes nicht auftritt.
Im folgenden wird beschrieben und anhand der Figuren näher erläutert, wie der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor aufgebaut ist und wie er betrieben wird.
Fig. 1 und 2 zeigen schematisch Querschnitte durch erfindungsgemäße Feldeffekttransistoren,
Fig.3 zeigt eine Schaltung, mit der unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors elektrische Schwingungen erzeugt werden können. Dabei ist in diesem Schaltbild der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor durch sein Ersatzschaltbild ersetzt.
F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor. Er besteht aus einem Halbleitersubstrat 1,
z. B. aus p-leitendem Silizium, in dem als Source-Bereich 2 und als Drain-Bereich 3 zwei n+-dotierte Bereiche vorhanden sind. Diese n+-dotierten Bereiche sind mit Elektrodenkontakten 4 bzw. 5 versehen. Auf der 5 Oberfläche des Halbleitersubstrates befindet sich eine Isolierschicht 6, und auf der Isolierschicht 6 eine Gate-Metallschicht 7. Unterhalb der Isolierschicht 6 zwischen dem Source- und dem Drain-Gebiet 2 bzw. 3 befindet sich der Oberflächenkanal 8, in dem der
ίο Leitungstyp gegenüber dem Substrat invertiert ist Unterhalb des Oberflächenkanals 8 befindet sich der weitere Kanal 9, der bei einem Substrat aus p-Silizium mit Dotierelementen wie z. B. Schwefel oder Zink dotiert ist
Der in F i g. 2 dargestellte erfindungsgemäße Feldeffekttransistor weist einen der F i g. 1 entsprechenden Aufbau auf, mit dem Unterschied, daß bei dem Aufbau nach F i g. 2 der Oberflächen-Inversionskanal 8 und der mit den Dotierstoffteilchen gebildete weitere, zweite
Kanal 9 so dicht beieinander liegen, daß ein Überlappungsbereich 10 dieser beiden Kanäle auftritt. Der zweite Kanal 9 ist durch eine Ionenimplantation hergestellt, bei der aus einer Ionenquelle Schwefel-Ionen mit einer Dosis von etwa 5 · 10" bis etwa 1013 cm-2 in das Halbleitersubstrat mit einer Energie bis zu 500 keV eingeschlossen wurden.
Um beim Betrieb des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors den Arbeitsbereich mit negativem differentiellen Widerstand zu erreichen, wird an die Source-Elektrode Null-Potential gelegt, an die Gate-Elektrode wird eine Spannung angelegt, die kleiner ist als die »Einsatzspannung« für die Ionisation der in dem zusätzlichen zweiten Kanal befindlichen Dotierstoffteilchen. An die Drain-Elektrode wird eine Spannung gelegt, die größer ist als die Gate-Spannung. Bei einer solchen Betriebsweise befindet sich der Feldeffekttransistor im sogenannten »pinch off«-Bereich, bei dem der unter der Halbleiteroberfläche befindliche Oberflächenkanal 8 zwischen der Source- 2 und der Drain-Elektrode 3 endet und ein »pinch off«-Gebiet U zwischen dem Oberflächenkanal 8 und der Drain-Elektrode 3 übrigbleibt, so daß Source- und Drain-Elektrode nicht leitend miteinander verbunden sind. Wird nun die Drain-Spannung auf einen Wert erhöht, der über der »Einsatzspannung« für die Ionisation der im zusätzlichen zweiten Kanal 9 liegenden Dotierstoffteilchen liegt, so baut sich in diesem zusätzlich dotierten Bereich ein schmales Gebiet auf, dessen Leitfähigkeit sprunghaft um einige Größenordnungen innerhalb von etwa 10~9 see ansteigt,
so was in der Strom-Spannungs-Charakteristik des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors zu dem Bereich mit negativem differentiellen Widerstand führt. Die »Einsatzspannung«, bei der die Ausbildung dieses leitenden Gebietes stattfindet, hängt vor. der Ionisationsenergie des Dotierstoffes sowie von der Länge des »pinch off«-Gebietes 11 wie auch von dem Abstand von Source- und Drain-Elektrode ab. Bei einem Bauelement, bei dem die Kanallänge etwa 40 μπι beträgt, hat die »Einsatzspannung« beispielsweise eine Größe von
38 Volt. Bei Überschreiten dieser Spannung steigt der zwischen Source und Drain fließende Strom sprungartig um zwei Größenordnungen im Bereich zwischen 28 und 38 Volt an.
F i g. 3 zeigt ein Schaltbild einer Anordnung, mit der ein erfindungsgemäßer Feldeffekttransistor beispielsweise zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen verwendet werden kann. Diese Schaltungsanordnung besteht aus einer Spannlingsquelle 31, zwischen deren
Pole eine Reihenschaltung aus einem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor 32 und einem variablen Widerstand 33 gelegt ist. Dabei ist in Fig.3 der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor durch sein in dem gestrichelten Rahmen 32 enthaltenden Ersatzschaltbild dargestellt. Dabei sind mit 34 der Widerstand Rc und mit 35 die Kapazität C0 des Bauelementes, mit 36 der Widerstand Rc* des zusätzlich vorhandenen Kanalbereiches vor dem Durchbruch angegeben. Mit 37 ist die Kabelkapazität Ck der Zuleitungen bezeichnet. Durch Anlegen einer konstanten Spannung Vq die größer ist als die »Einsatzspannung« für die Ionisation der im zweiten Kanalbereich vorhandenen Dotierstoffteilchen, können bei dieser Anordnung Kopp-Schwingungen erzeugt werden. Die Frequenz dieser Schwingungen ist abhängig von der Relaxationszeit τ, die begrenzt ist durch die Rekombinationszeit der Dotierstoffteilchen, und weiter abhängig sein kann von C0 Ck, R0 und Rv, wobei Rv der Wert des variablen Widerstandes 33 ist. Durch den Vorgang der Stoß-Ionisation wird die Kapazität Cc (35) kurzgeschlossen und damit der Widerstand Rc* (36) überbrückt. In dem von der Anordnung gebildeten Stromkreis fällt damit die größte Spannung an dem Widerstand 33 ab. Dadurch wird die an dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor zwischen Source und Drain abfallende Spannung
ίο verkleinert und damit die »Einsatzspannung« unterschritten. Damit ein neuer Durchbruch auftreten kann, muß die Kapazität des Bauelementes Cc neu aufgeladen werden, wobei die Aufladezeit von der Relaxationszeit τ bestimmt ist. Die Relaxationszeit kann sowohl durch die Größe des Widerstandes 33 als auch durch die Gate-Spannung beeinflußt werden, die an den erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor angelegt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Feldeffekttransistor mit einem Halbleitersubstrat vom ersten Leitfähigkeitstyp, in dem ein Source- und ein Drain-Gebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp und ein dazwischenliegender, an die Oberfläche des Halbleitersubstrates angrenzender Oberflächenkanal mit invertiertem Leitungstyp vorhanden sind, wobei sich über dem Oberflächenkanal eine isolierte Gate-Elektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Source-Gebiet (2) und dem Drain-Gebiet (3) ein in oder unterhalb des Oberflächenkanals (8) liegender, zweiter Kanal (9) befindet, der mit Dotierstoffteilchen dotiert ist, deren Energieniveau im verbotenen Band des Halbleitersubst'ates (1) bei
der Betriebstemperatur Turn mehr als-ir von der
Leitungsbandkante und Valenzbandkante des Halbleitersubstrates (1) entfernt liegt.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Kanal (9) das Maximum der Konzentration der Dotierstoffteilchen in einem Abstand bis zu 1 μπι unter der Oberfläche des Halbleitersubstrates (1) liegt
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Kanal (9) das Maximum der Konzentration der Dotierstoffteilchen wenigstens 5 nm von der Substratoberfläche entfernt ist
4. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus Silizium besteht.
5. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Halbleitersubstrat (1) aus einer III-V-Verbindung besteht.
6. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus GaAs besteht
7. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (9) mit Schwefel dotiert ist.
8. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (9) mit Zink dotiert ist.
9. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (9) mit Arsen dotiert ist
10. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (9) mit Indium dotiert ist
11. Verfahren zum Betrieb eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor während des Betriebes gekühlt wird.
12. Verwendung eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als schneller Schalter.
13. Verwendung eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Teil einer integrierten Schaltung auf einem Substrat.
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