DE4037492A1 - Feldeffekttransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit in einem Halbleiter zwischen den Elektroden Source und Drain befindlichen Kanal für den Drain-Source-Strom.

Bisher ist es bei den verschiedenen Arten von Feldeffekt­ transistoren, auch bei Dünnschichttransistoren, üblich, dem den Kanal für den Drain-Source-Strom bildenden Halb­ leiterkörper einen rechteckigen Querschnitt mit über die gesamte für den Drain-Source-Strom zur Verfügung stehenden Kanallänge gleichen Querschnitt zu geben. Hierfür sprechen verschiedene Gründe, wie z. B. eine leichtere Berechnung der Steuerung des Drainstromes durch eine Variation des wirksamen Kanalquerschnittes mit Hilfe der Ausdehnung der Raumladungszone bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren. Für den Kanalquerschnitt ist der Überlappungsbereich von Gate-Elektrode und Halbleiterkörper maßgeblich.

Ein bekannter Schwachpunkt der Feldeffekttransistoren ist der starke Anstieg der Feldstärke am Übergang des Kanals zur Drain-Elektrode und die dadurch relativ stark be­ grenzte Spannungsfestigkeit der Feldeffekttransistoren. Auch kann sich in einer elektronischen Schaltung ein Feld­ effekttransistor als Schaltelement mit unzulänglicher Reaktionsgeschwindigkeit erweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feld­ effekttransistor so auszubilden, daß er mindestens hin­ sichtlich seiner Spannungsfestigkeit und seiner Reaktions­ geschwindigkeit bessere Eigenschaften als vergleichbare bekannte Feldeffekttransistoren aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der den Kanal bildende Halbleiterkörper des Feld­ effekttransistors auf seiner dem Drain-Source-Strom zur Verfügung stehenden Länge zwischen den beiden Elektroden Source und Drain einen ungleichmäßigen Querschnitt auf­ weist. Dadurch ändert sich auch der den Strom führende Querschnitt.

Es hat sich gezeigt, daß sich durch eine Änderung des Halbleiterquerschnittes des Kanales des Feldeffekttransi­ stors die Abhängigkeit der Feldstärke des Transistors vom Ort im Kanal so ändern läßt, daß sich die Feldstärke an der kritischen Übergangsstelle des Kanals zur Drain-Elek­ trode beachtlich verringert und dadurch die Spannungs­ festigkeit des Feldeffekttransistors wesentlich verbessert wird. Auch hat sich gezeigt, daß sich durch eine Änderung des Kanalquerschnitts die Drainstromänderung und damit die Reaktionsgeschwindigkeit des Feldeffekttransistors bei einem Spannungssprung zwischen der Gate- und der Source- Elektrode des Feldeffekttransistors, wie er bei einer Impulssteuerung des Transistors auftritt, ebenfalls über­ raschend stark vergrößern läßt.

Die Querschnittsänderung über die Kanallänge kann nicht­ linear und sogar unregelmäßig sein und sich nach dem vor­ gesehenen Einsatz des Feldeffekttransistors richten. Es ist ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäß ausgebilde­ ten Feldeffekttransistors, daß er sich durch die Wahl der Änderung seines Querschnitts über die Kanallänge auf eine für eine bestimmte Schaltung optimale Reaktionsgeschwin­ digkeit auslegen läßt und dabei gleichzeitig noch eine Erhöhung seiner Spannungsfestigkeit erreicht wird. Die Wahl des Verlaufes der Querschnittsänderung über die Kanallänge kann aber auch im Hinblick auf eine bestimmte Spannungsfestigkeit getroffen werden. Unter diesen Wahl­ bedingungen kann bei erfindungsgemäß ausgebildeten Feld­ effekttransistoren vorteilhafterweise der den Kanal bil­ dende Halbleiterkörper zwischen den beiden Elektroden Source und Drain mindestens einen Bereich mit einem ver­ ringerten Querschnitt und/oder kann der Kanalquerschnitt an der Übergangsstelle zur Drain-Elektrode einen größeren Querschnitt als an der Übergangsstelle zur Source-Elek­ trode aufweisen.

Nachfolgend werden lediglich als Ausführungsbeispiele unterschiedlich gestaltete Kanalbereiche und Kennlinien von Feldeffekttransistoren dargestellt und erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kanalbereichs eines herkömmlichen Feld­ effekttransistors;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende schema­ tische Darstellung eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgebildeten Feldeffekttransistors;

Fig. 3 ein Diagramm mit Feldstärke-Kennlinien der Transistoren nach Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 4 eine den Fig. 1 und 2 vergleichbare schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungs­ gemäß ausgebildeten Feldeffekttransi­ stors;

Fig. 5 ein Diagramm mit den Feldstärke-Kenn­ linien der Transistoren nach Fig. 1 und Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm mit Drainstrom-Kennlinien der Transistoren nach Fig. 1 und Fig. 4;

Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele des Kanalbereiches erfindungsgemäß ausgebildeter Feld­ effekttransistoren.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen platten­ förmigen Halbleiterkörper 11, der den Kanal mit der für den Drainstrom wirksamen Länge l zwischen einer Source- Elektrode S und der Drain-Elektrode D eines herkömmlichen Feldeffekttransistors bildet. Die nicht dargestellte Gate-Elektrode und ein eventuell vorhandenes Dielektrikum (MOS-FET) befinden sich in einer Ebene parallel zur Zeich­ nungsebene. Der den Kanal bildende plattenförmige Halb­ leiterkörper 11 hat über die ganze Kanallänge l die glei­ che Breite und bei gleicher Dicke der leitfähigen Schicht somit auch den gleichen Querschnitt. Mit der Bezugsziffer 12 ist die Übergangsstelle des Kanales in die Drain-Elek­ trode D bezeichnet.

Fig. 2 zeigt im Vergleich dazu einen Feldeffekttransistor, dessen den Kanal zwischen den beiden Elektroden S und D bildender plattenförmiger Halbleiterkörper 21 eine sich über die Kanallänge l ändernde Breite aufweist, und zwar eine Verbreiterung von einer gegenüber dem Vergleichstran­ sistor 10 nach Fig. 1 schmäleren Source-Elektrode S zu einer gegenüber Fig. 1 breiteren Drain-Elektrode D. Die Dicke der leitfähigen Schicht des Halbleiterkörpers 21 ist die gleiche wie beim Halbleiterkörper 11 des bekannten Transistors nach Fig. 1. Der Querschnitt des Kanales des Feldeffekttransistors ist über die Kanallänge l also ungleichmäßig. Hier vergrößert er sich ständig auf einen Maximalwert an der Übergangsstelle 22 des Kanales zur Drain-Elektrode D.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm über den Verlauf der Feldstärke F über die wirksame Kanallänge l in Richtung der Bezugs­ achse x von der Source-Elektrode S zur Drain-Elektrode D. Die gestrichelte Kennlinie 13 ist die Feldstärke-Kennlinie des bekannten Feldeffekttransistors 10. Die mit einer aus­ gezogenen Linie dargestellte Kennlinie 23 ist die Kenn­ linie des Feldeffekttransistors 20 nach Fig. 2, jeweils bei gleicher Drain-Source-Spannung und gleicher Gate- Source-Spannung. Das Diagramm zeigt den hohen Feldstärke­ wert an der Übergangsstelle 12 zur Drain-Elektrode D des Feldeffekttransistors 10 und den hier praktisch um ein Drittel geringeren Feldstärkewert an der Übergangsstelle 22 des Feldeffekttransistors 20.

Fig. 4 zeigt einen ebenfalls mit dem herkömmlichen Feld­ effekttransistor 10 nach Fig. 1 vergleichbaren Feld­ effekttransistor 30 mit gleicher Kanallänge l und platten­ förmigem Halbleiterkörper 31, der den Kanal bildet. Abwei­ chend vom Feldeffekttransistor 20 der Fig. 2 weist der Halbleiterkörper 31 über die Kanallänge l eine unregel­ mäßig wechselnde Breite auf, die zu hier gleichen Rand­ begrenzungslinien 35 und 36 mit unsymmetrischem Verlauf führt. Die Breite eines Transistors mit derselben stati­ schen Kennlinie, aber rechteckförmigem Kanal, ist mit ge­ strichelten Linien 37 eingezeichnet. Dessen Breite ent­ spricht der gleichmäßigen Breite des plattenförmigen Halb­ leiterkörpers 11 gleicher Stärke des Transistors nach Fig. 1. Sowohl die Source-Elektrode S als auch die Drain­ Elektrode D und damit auch der Übergangsbereich 32 des Kanals zur Drain-Elektrode D sind also größer als beim Vergleichstransistor 10 nach Fig. 1.

In dem Diagramm der Fig. 5 ist wieder die Feldstärke-Kenn­ linie 13 des Feldeffekttransistors 10 mit einer gestri­ chelten Linie eingezeichnet. Die Feldstärke-Kennlinie 33 des Feldeffekttransistors 30 nach Fig. 4 ist mit einer ausgezogenen Linie eingetragen. Auch bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Feldstärke an der Übergangsstelle 32 des Feldeffekttransistors 30 wieder wesentlich geringer als die Feldstärke an der Übergangsstelle 12 des Feld­ effekttransistors 10. Der Kurvenverlauf 35 und 36 des Halbleiterkörpers 31 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist jedoch im Hinblick auf die Reaktionsgeschwindigkeit des Feldeffekttransistors 30 gewählt worden, die sich aus dem Diagramm der Fig. 6 ersehen läßt. In diesem Diagramm ist der Drain-Source-Strom ID über der Zeit t für einen Spannungssprung zwischen Gate- und Source-Elektrode aufge­ tragen. Die gestrichelte Kennlinie 14 ist die Drainstrom- Kennlinie des Feldeffekttransistors 10. Die Drainstrom- Kennlinie 34 des Feldeffekttransistors 30 ist mit einer ausgezogenen Linie dargestellt. Sie steigt wesentlich rascher an als beim herkömmlichen Feldeffekttransistor 10. Die Vergleichskurven sind bei der gleichen Drain-Source- Spannung aufgenommen worden, bei welchen auch die Feld­ stärke-Kennlinien nach den Fig. 3 und 5 aufgezeichnet wor­ den sind.

Die in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellten Kanal­ bereiche von Feldeffekttransistoren 40 und 50 sollen demonstrieren, daß die Kanalquerschnittsänderungen, die zu den erwähnten Vorteilen bei Feldeffekttransistoren füh­ ren, auch bei stark unsymmetrisch gestaltetem Transistor­ aufbau, wie er in integrierten Schaltungen auftreten kann, vorgenommen werden können. So sind bei dem Feldeffekttran­ sistor 40 der Fig. 7 eine gekrümmt und nicht parallel zur Drain-Elektrode D verlaufende Source-Elektrode und ein den Kanal bildender Halbleiterkörper 41 mit einem sich nicht nur nach der Kanalbreite auswirkenden Einschnürungsbereich 46 dargestellt. Der den Kanal des Feldeffekttransistors 15 der Fig. 8 bildende Halbleiterkörper 51 weist unterschied­ liche Begrenzungskurven 55 und 56 auf, was entweder durch Platzverhältnisse in einer integrierten Schaltung oder aber durch eine Optimierung des Feldeffekttransistors 50 auf bestimmte Eigenschaften, beispielsweise auf seine Reaktionsgeschwindigkeit, bedingt sein kann.

Claims (6)

1. Feldeffekttransistor mit in einem Halbleiter zwischen den Elektroden Source und Drain befindlichen Kanal für den Drain-Source-Strom, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kanal bildende Halbleiterkörper (21; 31; 41; 51) auf seiner dem Drain-Source-Strom zur Verfügung stehen­ den Länge (l) zwischen den beiden Elektroden Source (S) und Drain (D) einen ungleichmäßigen Querschnitt auf­ weist.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querschnittsänderung über die Kanal­ länge (l) nichtlinear ist.

3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsänderung über die Kanallänge (l) unregelmäßig ist.

4. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kanal bildende Halbleiterkörper (31; 41; 51) zwischen den beiden Elektroden Source (S) und Drain (D) mindestens einen Bereich mit einem verringerten Querschnitt aufweist.

5. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die stärkste Querschnittsverringerung des Halbleiterkörpers näher an der Drain-Elektrode als an der Source-Elektrode liegt.

6. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalquerschnitt an der Übergangsstelle (22) zur Drain-Elektrode (D) größer ist als an der Übergangsstelle zur Source-Elektrode (S).