DE60006529T2

DE60006529T2 - Stromgesteuerter feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE60006529T2
Application number: DE60006529T
Authority: DE
Inventors: J. Trevor THORNTON
Original assignee: Arizona State University ASU
Current assignee: Arizona State University ASU
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: ATE254338T1; EP1186054A1; JP4139595B2; KR100416442B1; EP1186054B9; CA2373602A1; EP1186054B1; US6630382B1; KR20020010692A; DE60006529D1; JP2003501808A; WO2000074144A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Bauteile wie Transistoren. Verschiedene Aspekte dieser Erfindung umfassen Verfahren und Vorrichtungen welche sich auf Feldeffekttransistoren beziehen, die durch Gate-Ströme gesteuert werden können.
Elektronische Bauteile wie Dioden, Transistoren und ähnliche sind verbreitet in vielen Gegenständen eingesetzt, welche in Wohnungen, Büros, Fahrzeugen, individuellen Geräten (personal electronics), industriellen und Luft- und Raumfahrtanwendungen, medizinischen Geräten und anderen gefunden werden können. Allgemein gesprochen ist ein Transistor eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen, die z.B. Verstärkung oder Schaltmöglichkeiten in analogen und digitalen Schaltkreisen bereitstellt. In letzter Zeit wurden die Bemühungen auf solche Transistoren konzentriert, die verschiedenste Funktionen mit reduziertem Stromverbrauch erfüllen. Ein reduzierter Stromverbrauch ist besonders wünschenswert in Anwendungen die Batterien benötigen, welche ersetzt werden müssen wenn die Energie erschöpft ist. In medizinischen Vorrichtungen (wie z.B. Herzschrittmachern), Satellitenvorrichtungen und anderen Anwendungen kann ein Batteriewechsel sehr unbequem sein, so daß die Nachfrage für sogenannte "Micropower'"-Komponenten erhöht ist. Zusätzlich sind Vorrichtungen mit niedriger Leistungsaufnahme (low power devices) typischerweise für ultra-hoch integrierte Schaltkreise (ULSI) bevorzugt, welche häufigerweise Vorrichtungen mit niedriger Leistungsaufnahme benötigen, um den gesamten Stromverbrauch zu minimieren.
Verschiedene Formen von Transistoren zeigt 1. Solche Transistoren fallen allgemein in eine von zwei Kategorien, nämlich Feldeffekttransistoren (FETs) und Bipolar-Sperrschicht-Transistoren (BJTs). Allgemein gesprochen arbeiten FETs nach anlegen einer Spannung an einem Gate Terminal welches in passender Weise eine Verarmungszone steuert welche wiederum den Stromfluß in einem halbleitenden Kanal beeinflusst. BJTs sind typischerweise charakterisiert durch ein Verbinden von zwei P-N-Übergängen, wie 1(c) am besten zeigt.
Derzeitig sind die Überzahl der "Standard" Transistor-Vorrichtungen, welche in Mikroprozessor und anderen digitalen Anwendungen benutzt werden, CMOS FETs (complementary metal oxide semiconductor} welche bei starker Inversion arbeiten, wobei die Eingangsspannung V_gs größer ist als eine Schwellwertspannung (threshold) V_th. In solchen Transistoren variiert der Strom fließend in einem halbleitenden Kanal(Drain-Strom I_d) typischerweise mit (V_gs – V_th)². V_th kann bei solchen Vorrichtungen um 0,7 V liegen und der Stromfluss in dem Kanal kann im Milliampere-Bereich liegen. Eine vorgespannte Konfiguration eines beispielhaften stark invertierten n-Kanal MOSFET Vorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt 1(a).
Für Anwendungen welche minimalen Stromfluss erfordern, können CMOS basierte Schaltungen vorgespannt werden, sogenannte "sub-threshold MOSFETs", welche in einem Bereich schwacher Inversion arbeiten, wobei die Gate-Source-Spannung Vgs kleiner als V_th ist. 1(b) zeigt exemplarisch vorgespannte Bedingungen für einen schwach invertierten n-Kanal MOSFET. Unter diesen Bedingungen variiert der MOSFET Drain-Strom I_d, typischerweise im Picoampere- bis Microampere-Bereich und ist gegeben durch
mit U_T=kT/e, welche bei ungefähr 25,8 mV bei Raumtemperatur liegen kann, μ ist die Ladungsträgerbeweglichkeit, C_ox ist die Oxidkapazität und W/L ist das Verhältnis der Breite zur Länge des Transistors.
Die niedrigen Drain-Ströme und kleine Spannung, welche für Drain-Strom-Sättigung (z.B. V_d ^sat≥3 U_T~75 mV) von Vorrichtungen, die im Bereich schwacher Inversion arbeiten notwendig sind, machen den Sub-Threshold-Betrieb ideal für Micropower-Schaltungsanwendungen wie Taschenrechner, Pager, medizinische Implantate, ULSI-Logilc usw. Der Hauptnachteil solcher Vorrichtungen ist jedoch langsame Geschwindigkeit. Die Cut-off-Frequenz im Bereich schwacher Inversion ist typischerweise gegeben durch f_T=μU_T/2πL_g ². Für eine schwach invertierte NMOS-Vorrichtung liegt μ im Bereich von 200cm²/Vs und für L_g=3μm ergibt sich eine Betriebsfrequenz von ungefähr 9 MHz, obwohl der stabile Betrieb allgemein bei wesentlich niedrigeren Frequenzen (z. B. im Bereich von ungefähr 200–500 kHz) stattfindet.
Eine Unterscheidung zwischen Transistoren, welche im Bereich schwacher Inversion oder schwacher Anreicherung arbeiten (gegenüber dem Bereich starker Inversion oder starker Anreicherung) ist, daß der Drain-Strom im Betriebsbereich der schwachen Inversion oder schwachen Anreicherung typischerweise exponentiell mit der Differenz zwischen der Gate-Source-Spannung und der Schwellwertspannung (z.B. V_gs – V_th) variiert. Kleine Änderungen in V_th erzeugen dadurch typischerweise große Änderungen in I_d aufgrund der exponentiellen Natur der Gleichung i. Die Verbesserung der Geschwindigkeit f_T von Micropower-Vorrichtungen durch Reduzierung der Gate-Länge L_g ist nicht typischerweise praktikabel, wegen der Schwierigkeiten die Schwellwertspannung V_th zwischen verschiedenen Vorrichtungen präzise anzugleichen. Aus diesem Grund haben viele Micropower-Schaltungen typischerweise unwünschenswert lange Gates (z. B. L_g≥1μm) und arbeiten typischerweise unter 1 MHz.
Das Steuern eines Transistors mit einem Eingangsruhestrom (bias) wurde mit verschiedenen BJT-Vorrichtungen benutzt, wobei der Kollektorstrom I_c als exp(V_be/U_T) ausgedrückt werden kann. Allgemein ist es unpraktisch eine Basis-Emitter-Spannung, V_be, zur Steuerung von I_c zu benutzen, aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit des Stroms I_c zur Basis-Emitter-Spannung V_be. Eher als die Basis-Emitter-Spannung benutzen viele BJTs einen Eingangsbasisstrom, I_d, zum Steuern von I_c über die Stromverstärkung β, d. h. I_c = βI_b. Eine solche Steuerung über Ruhestrom-Konfiguration (current bias configuration) für einen exemplarischen NPN-BJT zeigt 1(c).
Im Prinzip könnten BJT-Vorrichtungen aus dem Stand der Technik im Micropower-Bereich unter Anlegen eines ausreichend kleinen Basisstroms zur Sicherstellung, daß I_c im Picoampere- bis Microampere-Bereich liegt, benutzt werden. Dennoch, da BJTs allgemein Vorrichtungen mit Minoritätsladungsträgern sind, nimmt ein Aufladen der Eingangsdiffusionskapazität (d. h. C_diff des vorwärtsgespannten Basis-Emitter-Übergangs) eine unwünschenswert lange Zeit in Anspruch, wodurch die Cut-Off-Frequenz unwünschenswert klein wird. BJTs werden typischerweise nicht als Micropower-Vorrichtung bei hohen Frequenzen benutzt.
Eine alternative Transistorkonfiguration aus dem Stand der Technik ist der Metall-Halbleiter-FET oder MESFET. MESFETs werden typischerweise als "depletion mode cevices", also Vorrichtungen im Verarmungsmodus (der Kanal ist leitend für V_gs(=0) betrieben und können durch Anlegen einer Sperrvorspannung (bias) an den Schottky-Gate-Eingang ausgeschaltet werden. Um diese Art eines Verarmungsmodus-MESFETs zu erreichen, wird die aktive Schicht allgemein relativ dick ausgeführt und relativ stark dotiert, so daß die Verarmungszone unter dem Gate kleiner ist als die Dicke des Kanals für V_gs(=0. Eine typische vorgespannte Konfiguration für einen n-Kanal MESFET ist in 1(d) gezeigt.
Bezug nehmend auf 1(d) ist für einen n-Kanal Verarmungsmodus-MESFET die Schwellwertspannung V_th, typischerweise kleiner als null und die Gate-Spannung variiert im Bereich V_th<V_gs<0 zur Steuerung des Drain-Stroms, welcher mit kleiner Ordnung mit der Differenz zwischen der Gate-Source-Spannung und der Schwellwertspannung (z.B. V_gs-V_th,) variiert. In dieser Konfiguration ist der in das Gate fließende Strom durch einen in Sperrrichtung betriebenen Schottky-Übergang gegeben. In vielen Vorrichtungen ist der Gate-Strom vernachlässigbar klein im Vergleich zum Drain-Strom ausgelegt. Das Gate spielt typischerweise keine Rolle in der Steuerung des Drain-Stroms, außer zum Aufbauen der Gate-Spannung. Anders ausgedrückt, der Gate-Strom in solchen MESFETs ist typischerweise ein bloßer "Leckstrom", der allgemein möglichst niedrig gehalten werden sollte.
Anreichungsmodus MESFETs wurden so entworfen, daß sich die Verarmungszone über die Schicht des aktiven Kanals bei V_gs =0 ausdehnt, wie 2 zeigt. Der Transistor wird eingeschaltet bei Anlegen einer Durchlaßvorspannung (bias) an das Gate, so daß sich die Verarmungszone nur über einen Teil des halbleitenden Kanals ausdehnt. Die an das Gate angelegte Spannung muß aber typischerweise klein genug gehalten werden, so daß der Gate-Eingangsstrom wesentlich weniger ist, als der Drain-Strom. Nochmals, der Gate-Strom spielt typischerweise keine Rolle in der Steuerung des Drain-Stroms, außer zum Aufbauen der Gate-Spannung. Als solches wird der Drain-Strom I_d durch die Gate-Spannung kontrolliert und variiert mit kleiner Ordnung von (V_gs-V_th). In dieser Konfiguration wird der Transistor allgemein als leitfähig betrachtet, wenn die Gate-Source-Spannung größer ist als die Schwellwertspannung (d. h. wenn V_gs > V_th). Wenn Anreichungsmodus MESFETs eingeschaltet werden, arbeiten diese Vorrichtungen typischerweise im Bereich der starken Anreicherung (analog zur starken Inversion in einem MOSFET) und der Drain-Strom ist typischerweise im Milliampere-Bereich. Dieser Level an Strom ist allgemein hochgradig unwünschenswert für Micropower-Anwendungen, wegen der verbundenen hohen Leistungsaufnahme. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß Micropower-Vorrichtungen Drain-Ströme im Bereich von Micro- bis Picoampere aufweisen.
Ein wichtiger Unterschied zwischen dem MESFET und dem MESFET ist die Anwesenheit einer isolierenden Schicht zwischen der Gate-(Eingangs-)Elektrode und dem leitenden Kanal eines MOSFETs. Ohne den Gate-Isolator kann die halbleitende Oberfläche nicht invertiert werden und der MOSFET-Drain-Strom ist vernachlässigbar. Der Isolator muß dick genug sein, so daß kein Strom vom Gate in den Kanal lecken kann. Wenn die Gate-Länge des MOSFETs zu kleineren Geometrien reduziert wird, wird die Dicke des isolierenden Gate-Oxids proportional reduziert. Bei sehr dünnen Gate-Isolatoren können übermäßige Ströme vom Gate durch den Isolator in den Kanal fließen. Dieser Gate-Leckstrom limitiert erwartungsgemäß die kleinste erlaubbare Gate-Isolatordicke, welche wiederum die minimale Gate-Länge eines MOSFETs limitiert. Im Gegensatz benötigt der MESFET keinen Gate-Isolator. Als Konsequenz wird erwartet, daß MESFETs zu kleineren Dimensionen skaliert werden können, als MOSFETs.
Die EP-A-0 148 827 offenbart eine Halbleitervorrichtung passend für Betrieb bei hohen Frequenzen mit hoher Leistung. Die Vorrichtung beinhaltet einen halbleitenden Kanal, welcher zwei Elektroden verbindet. Auf dem halbleitenden Kanal ist eine stark dotierte Halbleiterkontrollelektrode angeordnet. Löcher werden in den Kanal an der Kontrollelektrode injiziert. Die Vorrichtung kann zur Modulation des Stroms zwischen den beiden Elektroden durch Löcherinjektion an der Kontrollelektrode betrieben werden, ähnlich zu einem Bipolartransistor.
Die EP-A-0 268 386 offenbart eine stromkontrollierte Halbleitervorrichtung, konzipiert für ultraschnelle Schaltzeiten. Kontakte, welche zu Source und Drain Terminals in einem konventionellen Feldeffekt-Transistor korrespondieren, sind mit einem verbindenden halbleitenden Kanal angeordnet. Eine Injektorschicht ist vom Kanal durch eine Tunnelbarriere separiert. Um den Transistor einzuschalten wird eine Spannung angelegt, die die Injektorschicht bis zur Tunnelschwelle vorspannt. Ladungsträger, welche durch die Tunnelbarriere tunneln, werden in den Kanal injiziert, um Kanalwiderstand zu senken.
Die Druckschrift US-A-4277883 offenbart eine Methode zur Herstellung eines Paares komplementär verbundener Transistoren. In einer Ausführungsform ist ein n-Kanal Verarmungsmodus MESFET kombiniert mit einem p-Kanal Anreicherungsmodus MOSFET. Die Herstellung eines Anreicherungsmodus-Feldeffekt-Transistors ist erwähnt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangsstroms in einer Einheit bereitzustellen, welche für Micropower-Anwendungen gut geeignet ist.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Im folgenden sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben:
1a ist eine schematische Darstellung eines MOSFET, welcher im Bereich starker Inversion arbeitet;
1b ist eine schematische Darstellung eines MOSFET, welcher im Bereich schwacher Inversion arbeitet;
1c ist eine schematische Darstellung eines BJT;
1d ist eine schematische Darstellung eines Verarmungsmodus MESFETs;
2 ist eine schematische Darstellung eines Anreicherungsmodus MESFETs aus dem Stand der Technik;
3 ist eine schematische Darstellung eines Schottky-Ubergangs auf einem n-Typ Halbleiter;
4 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Schottky-Junction Transistor (SJT), wie durch die vorliegende Erfindung offenbart;
5 ist eine exemplare computergenerierte SJT Mesh-Struktur, welche das elektri sche Verhalten der SJT Vorrichtung modelliert;
6 ist ein exemplarischer Graph des Drain-Stroms und Gate-Stroms als Funktion der Gate-Spannung;
7 ist ein exemplarischer Graph der Stromverstärung als Funktion des Drain-Stroms;
8 ist ein exemplarischer Graph des Drain-Stroms gegenüber der Drain-Spannung für verschiedene Gate-Ströme;
9 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen SJTs, welche die Ausdehnung der Verarmungszone über den halbleitenden Kanal darstellt;
10 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Prozeßablaufs, welcher benutzt werden kann, um komplementäre n- und p-Kanal SJT auf dem selben Substrat herzustellen;
11 ist ein exemplarischer Graph des Drain-Stroms gegenüber dem Gate-Strom für komplementäre n- und p-Kanal SJTs und
12 ist ein exemplarischer Graph der Gate-Kapazität eines n-Kanal SJTs als Funktion des Drain-Stroms.
Entsprechend den verschiedenen Aspekten der Erfindung, wird ein Anreicherungsmodus MESFET bereitgestellt, bei dem der Channel-Drain-Strom durch das Anlegen eines Ruhe-Stroms in, oder aus der Gate-Elektrode des MESFETs heraus, kontrolliert wird. Durch sorgfältiges Auswählen der Kanaldotierung N_D, der Kanaldicke a, und der Gate-Länge L, kann eine Stromverstärkung größer als 1 (z. B. β > 1) für Vorrichtungen, welche entsprechend den nachfolgend beschriebenen Methoden hergestellt werden, erreicht werden. Z. B. kann eine Gate-Strom-Steuerung des Drain-Stroms, welche durch die vorliegende Erfindung beschrieben wird, analog zur Basis-Strom-Steuerung des Collector-Stroms in BJTs erzeugt werden. Hierdurch ist es angemessen, daß Vorrichtungen, welche im Einklang mit der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, als Schottky Junction Transistors (SJTs) bezeichnet werden. Da der SJT eine Majoritätsladungsträger-Vorrichtung ist, unterliegt er jedoch nicht denselben Minoritätsladungsträgerprobemen wie der BJT. Genauer zeigen verschiedene Ausführungsformen des SJT nicht typischerweise die Diffusionskapazität, die durch Minoritätsladungsträger in BJTs entsteht, da SJTs für ihren Betrieb nicht typischerweise von Minoritätsladungsträgern ab hängen. Als ein Ergebnis kann die Eingangskapazität der SJT Gate-Elektrode um Größenordnungen kleiner sein, als die Eingangskapazität eines BJT, dies erlaubt dem SJT bei wesentlich höheren Frequenzen im Micropower-Bereich betrieben zu werden.
In verschiedenen Ausführungsformen können beide, der Eingangs-Gate-Strom und der Ausgangs-Drain-Strom des SJT so ausgelegt werden, daß sie sich exponentiell zum angelegten Gate Bias durch Auswahl einer angemessenen Schichtdicke und Dotierkonzentration verhalten, wodurch das Verhältnis des Gate-Stroms zum Drain-Strom (d.h. die Verstärkung der Vorrichtung) relativ unabhängig zur Schwellwertspannung wird. Durch Entfernen der Effekte der Schwellwertspannung am Verhältnis vom Drain-Strom zum Gate-Strom wurde das Transistor Matching im Sub-Threshold-Bereich verbessert und die Gate-Längen der Vorrichtungen können substantiell kürzer sein, wodurch der Transistorbetrieb bei signifikant höheren Frequenzen möglich wird. Zusätzlich wurden verschiedene SJT-Vorrichtungen gefunden, die insbesondere passend für Drain-Ströme im Bereich anwendbar für Micropower-Schaltkreisanwendungen (Picoampere bis Microampere) sind. Vielmehr können digitale Schaltkreisanwendungen unter Benutzung der komplementären n- und p-Kanal Vorrichtungen, wie die vorliegende Erfindung darlegt, realisiert werden. Micropower Analog- und Digitalschaltungen, welche aus SJTs hergestellt werden, können deshalb bei höheren Frequenzen betrieben werden, als solche, welche unter Benutzung von konventionellen Vorrichtungen wie z. B. schwach invertierten MOSFETs hergestellt werden.
Einen zusätzlichen Vorteil von verschiedenen Ausführungsformen des SJT ist es, daß Schaltkreise, welche unter Benutzung komplementären Versionen der Vorrichtung hergestellt werden, entsprechend weniger Fläche benötigen, als Stand der Technik MOSFET-Schaltkreise. Die Reduktion der Fläche geschieht durch zwei Gründe. Erstens benötigt die Vorrichtung nicht typischerweise einen Isolator zwischen Gate und Kanal, so daß die Gate-Längen von beiden n- und p-Kanal Vorrichtungen kleiner gemacht werden können als solche in konventionellen MOSFETs. Zweitens können die komplementären n- und p-Kanal SJTs mit leitenden Kanälen derselben oder ähnlichen Breite hergestellt werden. In konventionellen CMOS-Schaltungen können p-Kanal Vorrichtungen ungefähr doppelt so breit wie n-Kanal Vorrichtungen sein. Digitale Schaltungen hergestellt unter Benutzung der komplementären Version der neuen Vorrichtung können dadurch höhere Integrationsgrade als konventionelle CMOS erreichen, bedingt durch (i) die Reduktion der Breite der p-Kanal Vorrichtung und (ii) der Möglichkeit die Gate-Länge zu kleineren Dimensionen zu skalieren. Andere Vorteile in Verbindung mit dem Fehlen des Gate-Isolators in der vorliegenden Erfindung sind (i) reduzierte Eingangs-(Gate)-Kapazität und (ii) reduzierte Herstellungskomplexität.
Die analytische Grundlage von von verschiedenen exemplarischen Ausführungsformen kann mit folgender Gleichung (2) zusammengefaßt werden.
Beim Herleiten von Gleichung 2 ist es sinnvoll als erstes einen Anreicherungsmodus n-Typ GaAs MESFET hinzuzuziehen, für welchen der Gate-Strom gegeben ist durch
mit W, L Breite und Länge des Kanals, φ_b : für die Höhe der Schottky-Barriere und A* Richardson-Konstante. Wenn der MESFET schwach angereichert ist, kann der Drain-Strom geschrieben werden als:
mit 1<α<2, N₊ Source und Drain Kontakt Dotierungskonzentrationen, N_D: Kanal Dotierungskonzentration und a Kanaldicke.
Unter Annahme von αN₊/N_D=1 und mit V_ds>3U_T ergibt sich
Die Division der Gleichungen (5) und (6) ergibt die Stromverstärkung der Vorrichtung
3 ist ein Energie-Band-Diagramm eines exemplarischen Metall auf n-Typ Halbleiter-Schottky-Übergangs. Das Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen der Höhe der Schottky-Barriere φ_b , der internen Spannung (bulid-in voltage) V_bi und der Ausdehnung der Verarmungszone W. Die interne Spannung ist die Potentialdifferenz, die zwischen dem Schottky-Gate und dem halbleitenden Kanal (s. u.) als Ergebnis der Schottky-Barriere entsteht. Aus 3 wird deutlich, daß die Schottky-Barrierenhöhe und die interne Spannung zusammenhängen mag nach:
Aus Standardtexten kann gezeigt werden, daß:
Aus Gleichungen (8), (9) und (10) kann gezeigt werden, daß
und Substituierung dieses Terms in Gleichung (7) ergibt
Es wird geschätzt, daß Gleichung (11) als konstanter Term multipliziert mit einem exponenzierten konstanten Term ausgedrückt werden kann. Daher, unter Benutzung eines Gate-Stroms zur Vorspannung (bias) des Sub-Threshold FET wurden die Terme in V_gs – V_th (welche zu Drain-Strom-Änderungen führen) entfernt, und der Drain-Strom fluktuiert in Erwiderung auf Veränderungen in Dotierung und Kanaldicke, dadurch könnten die Fluktuationen in der Schwellwertspannung substantiell vom Problem entfernt werden. Als ein Ergebnis kann das Transistor Matching signifikant erleichtert werden, und Schaltkreise, welche FETs mit kürzeren Gate-Längen benutzen, können erzeugt werden, wodurch signifikant schnellere Betriebsfrequenzen erlaubt werden als bei spannungsgesteuerten Vorrichtungen.
Als ein Beispiel wird ein exemplarischer GaAs MESFET mit einer 5 μm Gate-Länge und a=80 nm, N_D = 10¹⁷ cm^–3 und φ_b = 0,8 V betrachtet. Unter Benutzung dieser Werte und gewöhnlichen Näherungen kann die Schwellwertspannung auf V_th = 0,31 V geschätzt werden und Gleichung (8) ergibt eine Stromverstärkung von ungefähr 29, welche sogar unterschätzt sein kann.
4 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Schottky-Junction-Transistors 200. Entsprechend verschiedener Ausführungsformen und mit Bezug nun zu 4, ein exemplarischer SJT 200 beinhaltend passend eine optionale isolierende Schicht 204 angeordnet auf einem Substrat 202. Ein halbleitender Kanal 206 ist auf der isolierenden Schicht 204 (oder Substrat 202 in alternativen Ausführungsformen) plaziert. Source Terminal 210, Gate Terminal 214 und Drain Terminal 208 sind auf dem Kanal 206 entsprechend ausgebildet.
SJTs könnten mit jeder Technologie, wie z. B. Gallium-Arsenit, Silizium, Silizium auf Isolator (SOI Silicon-On-Insolator) oder ähnlichen hergestellt werden. SOI erlaubt im allgemeinen die isolierende Schicht 204 direkt unter Kanal 206, wodurch Substratleckeffekte reduziert werden könnten. SOI ist ebenfalls kompatibel mit etablierter Silizium-Prozeßtechnologie. Substrat 202 mag ein Siliziumsubstrat, wie in 4 gezeigt, sein, oder jegliches andere Substratmaterial wie z. B. Gallium-Arsenit, Gallium-Nitrid, polykristallines Silizium, amorphes Silizium, Siliziumdioxid (Glas) oder ähnliches. Die isolierende Schicht 204 kann abgeschieden (deposited), gesputtert oder anderweitig auf Substrat 202 aufgebracht sein und kann aus vergrabenem Siliziumdioxid (wie in 4 gezeigt) oder jedem anderen passenden isolierendem Material wie z. B. Siliziumnitrid ausgebildet sein. Konventionelle SOI-Technologie ist geeignet, vergrabene Oxide mit Dicken im Bereich von 0,05–0,4 μm herzustellen, auch wenn andere Dicken ebenfalls benutzt werden können. Andere Techniken wie z. B. Wafer Bonding sind geeignet, vergrabene Oxide dicker als 10 μm oder mehr herzustellen. Die Dicke der isolierenden Schicht 204 wird von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren, kann aber in der Größenordnung von 0,2–0,5 μm, wie z. B. ungefähr 0,35 μm liegen.
Der halbleitende Kanal 206 kann gesputtert, abgelagert, gewachsen oder anderweitig auf der isolierenden Schicht 204 gebildet sein, wie zweckmäßig. In der Ausführungsform, gezeigt in 4, ist der Kanal 206 als n-Typ Silizium für die n-Kanal Vorrichtung gezeigt, auch wenn p-Typ Silizium für die p-Kanal Vorrichtungen benutzt würde. Alternativ könnte jedes andere halbleitende Material, wie z.B. GaAs, GaN, polykristallines Silizium, amorphes Silizium, etc. benutzt werden. Konventionelle SOI-Technologie ist geeignet, Siliziumoberflächenschichten mit Dicken im Bereich von 0,01 bis 0,2 μm oder ähnlichen herzustellen. Andere existierende Techniken, wie z. B. Wafer Bonding, mögen geeignet sein, Siliziumoberflächenschichten, welche dicker als 1 μm oder mehr herzustellen. In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Kanal 206 ausgebildet auf einer Siliziumschicht, welche eine Dicke a = 0,05 μm aufweist, welche n-Typ zu einer Konzentration N_D = 10¹⁷ cm^–3 dotiert wurde, auch wenn natürlich andere Materialien, Dotierstoffe und Dotierstoffkonzentrationen in anderen Ausführungsformen benutzt werden können.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Gate Terminal 214 (auch "Gate-Elektrode" oder einfach "Gate" genannt) auf dem Kanal 206 als ein Schottky-Übergang hergestellt, gemäß einer jeglichen Technik. Das Gate Terminal kann ausgebildet werden aus Kobaltdisilizid (CoSi2), Aluminium, Platin oder jeglichem anderen Material, welches eine Schottky-Barriere ausbildet, wenn es auf dem halbleitenden Kanal 206 abgeschieden ist. Für Kobaltdisilizid, z. B., wurde gezeigt, daß es fast ideale Schottky-Dioden zu n-Typ Silizium bildet und kompatibel mit Silizium-Prozessierung ist. In verschiedenen Ausführungsformen würde die derzeitige Technologie die Herstellung von Gate-Längen ermöglichen, die zwischen ungefähr 0,01 μm bis ungefähr 5 μm oder mehr (wie z.B. ungefähr 0,5 μm) variieren können, auch wenn natürlich die Dimensionen von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren. Source Terminal 210 (auch "Source" genannt) und Drain Terminal 208 (auch "Drain" genannt) können auf dem Kanal 206 in jeglicher Weise hergestellt werden und können aus jeglichem leitenden Material ausgebildet sein, wie z.B. Aluminium, Kupfer, Gold, Silber oder jedes andere Metall oder Silizid welches einen niedrigwiderstand ohmschen Kontakt zu dem halbleitenden Kanal ausbildet. Zur Unterstützung der Ausbildung von niedrigwiderstand ohmschen Kontakten kann der halbleitende Kanal unter den Kontaktregionen 212 stark mit Dotier-Atomen implantiert werden. Für n-Kanal Silizium-Vorrichtungen können diese Dotierstoffe Arsen oder Phosphor oder jegliches andere Material sein, das einen n-Typ Bereich zu dem halbleitenden Kanal 206 ausbildet. Für p-Kanal Silizium-Vorrichtungen können diese Dotierstoffe Bor oder jedes andere Material sein, das einen p-Typ Bereich zu dem halbleitenden Kanal ausbildet. Die Distanz zwischen Source und Drain variiert von Ausführungsform zu Ausführungsform, aber unter Benutzung von derzeitigen Technologien und Design-Regeln kann diese Distanz zwischen ungefähr 0,03 μm bis ungefähr 10 μm, wie z.B. ungefähr 0,9 μm, in einer exemplarischen Ausführungsform sein. Die Oberfläche des Kanals 206 zwischen den verschiedenen Terminals kann optional mit einer Schutzschicht (protective layer) 220 aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder jeglichem anderen Material abgedeckt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die Dotierstoffe und Dotierstoffkonzentrationen im Kanal 206 so ausgewählt, daß eine Verarmungszone 216 nahe Gate 214 ausgebildet ist, welche effektiv den Stromfluss 218 von Drain 208 zu Source 210 blockiert (oder nahezu blockiert) wenn Nullvorspannung (zero bias) V_ds angelegt ist. Wenn eine positive Vorspannung (bias) V_ds angelegt ist zwischen dem Drain und Source Terminal, wird die Größe des Drain-Stroms 218 fließend im Kanal abhängig von dem Gate-Strom I_g, angelegt an das Gate Terminal 214, welches ein Schottky-Übergang ist. Durch variieren des Gate-Stroms I_g kann der Drain-Strom I_d geeignet justiert und kontrolliert werden unbeachtlich der Schwellwertspannung, wie bereits vorstehend beschrieben.
Die Verarmungszone kann unter Anwesenheit des Schottky-Kontakts über dem halbleitenden Kanal ausgebildet sein. Die Verarmungszone erstreckt eine vertikale Distanz W unter dem Schottky-Kontakt in den halbleitenden Kanal. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Verarmungszone eine Konsequenz der Bandverschiebungen, welche im Leitungsband und im Valenzband eines halbleitenden Materials auftreten, welches in Kontakt mit einem anderen Material gebracht ist, welches einen Schottky-Kontakt zu besagtem halbleitenden Kanal ausbildet. Die Distanz W kann in Übereinstimmung mit Gleichung 12 ermittelt werden, wie unten beschrieben.
Der Betrieb einer exemplarischen SJT-Vorrichtung 200, wie in 4 gezeigt, wurde als zweidimensionales Computermodel simuliert, unter Benutzung von MEDICI-Softwaretools (erhältlich von Avant! TCAD, Freemont, Kalifornien, USA). Die MEDICI-Software teilt die Struktur in ein Netz (mesh) auf welchem sie die relevanten Gleichungen der Vorrichtung löst, wie angemessen. Ein exemplarisches Netz ist in 5 gezeigt, welches benutzt werden kann um Ströme fließend in der Vorrichtung 200 zu berechnen. 6 zeigt exemplarische Gate-Ströme 604 und Drain-Ströme 602 gezeichnet als eine Funktion der Spannung, die an das Gate angelegt ist. Für Gate-Spannungen im Bereich 0 < V_gs < 0,3 ist der gezeigte Drain-Strom 602 größer als der Gate-Strom 604 und beide Gate- und Drain-Ströme nehmen exponentiell mit Vgs zu. Ein exemplarisches Verhältnis von I_d zu I_g (d. h. die Stromverstärkung β) ist in 7 als eine Funktion des Drain-Stroms gezeigt. Wie in der Figur gesehen werden kann, variiert die gezeigte exemplarische Stromverstärkung mit I_d und mag in der Größenordnung 40–100 über fast 3 Dekaden des Drain-Stroms liegen.
8 zeigt den Drain-Strom eines exemplarischen SJT 200 als eine Funktion der Drain-Spannung für verschiedene Eingangsruheströme angelegt an das Gate, mit Daten dargestellt in Einheiten von Nanoampere (1 nA=10^–9 Ampere) pro Mikrometer Gatebreite. Der Graph zeigt gute Stromsättigung für hohe V_ds, welche zu einem hohen Ausgangswiderstand führt, wie gewünscht sein kann für viele Analog- und Digitalschaltungsanwendungen. Es wird gewürdigt, daß in 8 ein Gate-Strom benutzt ist zum Steuern, welche I_d – V_ds Kurve ausgesucht ist. Dies geschieht im Unterschied zu Stand der Technik MESFETs, wo eine Gatespannung benutzt ist zum Auswählen der I_d – V_ds Kurve.
Die oben beschriebenen numerischen Simulationen illustrieren die wichtigen Unterschiede zwischen einem Anreicherungstyp MESFET aus dem Stand der Technik und dem Schottky-Junction-Transistor. 6 zeigt eine exemplarische Ausführungsform in welcher Drain-Strom 602, fließend in dem SJT, exponentiell mit V_gs über den gesamten nutzbaren Bereich (oder einen substantiellen Teil des nutzbaren Bereichs) des Gate-Stroms 604 variiert. In solchen Ausführungsformen mag der leitende Kanal des SJT schwach angereichert sein unter normalen Betriebsbedingungen. Dies ist unterschiedlich zu Anreicherungstyp MESFETs aus dem Stand der Technik, für welche der Kanal ausgelegt ist, um in starker Anreicherung zu sein, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird. Der SJT mag schwach angereichert sein, wenn die Dicke und Dotierstoffkonzentration in dem halbleitenden Kanal so gewählt wurden, daß sich die Verarmungszone unter normalen Betriebsbedingungen über den Großteil des Kanals erstreckt. Die Erstreckung der Verarmungszone am Source-Ende des halbleitenden Kanals in verschiedenen Ausführungsformen kann unter Benutzung von untenstehender Gleichung (12) berechnet werden.
mit W: Breite der Verarmungszone, N_D: eine Dotierstoffkonzentration, ε und q Konstanten, V_bi: Interne Spannung (Build-in-Voltage) zwischen Gate Terminal 214 und halbleitendem Kanal 206 und V_gs: eine Spannung angelegt zwischen Gate Terminal 214 und Source Terminal 210. Von Gleichungen (8) und (9) kann die interne Spannung V_bi für die oben beschriebene exemplare Ausführungsform auf ungefähr 0,435 Volt berechnet werden. Aus Gleichung (12) folgt, daß die Verarmungszone an dem Source-Ende des Kanals für die exemplarische Ausführungsform, benutzt um diese exemplarische Ausführungsform abzuleiten, eine Distanz von 75 nm; 65 nm; 55 nm; 49 nm und 42 nm erstrecken mag für entsprechende Gate-Spannungen von 0; 0,1: 0,2; 0,25 und 0,3 Volt. Es wurde gezeigt, daß die Verarmungszone 216 an dem Source-Ende des halbleitenden Kanals 206 nur signifikant kleiner ist, als die Kanaldicke von 50 nm für Gate-Spannungen V_gs > 0,3 Volt. Die Erstrekkung der Verarmungszone 216 über den halbleitenden Kanal 206 ist schematisch in 9 gezeigt. Für die oben beschriebene exemplarische Ausführungsform mag der normale Betriebsbereich des SJT Gateströme bis zu einem Maximalwert I_g ^max erlauben, welcher für diese exemplarische Ausführungsform ungefähr 1 μA/μm sein kann. Über diesem Wert mag die Spannung entwickelt auf dem Gate signifikant 0,3 Volt überschreiten, die Verarmungszone 216 an dem Source-Ende des Kanals mag viel weniger als 50 nm sein und der halbleitende Kanal 206 mag nicht länger schwach angereichert sein. Als ein Ergebnis mag der Drain-Strom nicht länger exponentiell mit (V_gs – V_th) variieren und die Stromverstärkung mag rapide mit steigendem I_g fallen, bis β < 1, so daß der Gate-Strom nicht länger zur Steuerung des Drain-Stroms benutzt werden kann.
Schaltungsanwendungen benötigen oftmals das komplementäre p- und n-Kanal Vorrichtungen auf demselben Chip integriert sind. Komplementäre Versionen des SJT 200 mögen auf einem einzelnen Substrat 202 mit jeglicher Technik integriert werden, so wie in 10 offenbart. Mit Bezug nun zu 10, ein exemplarischer Multi-SJT Schaltkreis 700 mag auf einem einzelnen Substrat 202 ausgebildet sein, welches ein Teil eines SOI Wafers sein kann, oder jeglicher anderer passender Wafer oder Substrat. In einer exemplarischen Ausführungsform mag das Startsubstrat 202 eine niedrige Dotierstoffkonzentration aufweisen (bspw. N_A, N_D ≤ ungefähr 10¹⁵ cm^–3). In einer Ausführungsform eines SJT Schaltkreises 700, mag z. B. das SUI Substrat 200 n-Typ dotiert sein, bei dem Niveau von 10¹⁵ cm^–3. Die vergrabene Oxiddicke mag in der Größenordnung von 0,2 μm – 1 μm (z. B. ungefähr 0,4 μm) sein und die Oberflächensiliziumschicht mag in der Größenordnung von 0,05–0,5 μm (beispielsweise ungefähr 0,12 μm) dick sein.
Kanäle 206 für die verschiedenen Vorrichtungen (sowie Kanäle 206a und 206b in 10) können durch Mesaätzen (mesa etching), Ionenstrahlinduzierter Strahlenschaden (ion beam induced damage) oder jeglichen anderen Technik isoliert werden. Die n-Typ Dotierstoffe für die n-Kanal Vorrichtung 200a können durch Ionenimplantation oder jeglichen anderen passenden Technik eingebracht werden, wie die p-Typ Dotierstoffe für die p-Kanal Vorrichtungen 200b (10(d)). In einer exemplarischen Ausführungsform können n-Kanäle 206a ausgebildet werden durch Implantieren von Phosphor bei einer Energie von ungefähr 25 keV zu einer Dosis von ungefähr 3,5 × 10¹¹ cm^–2. P-Kanäle 206b können ausgebildet werden durch Implantieren von Bor bei einer Energie von ungefähr 10 keV zu einer Dosis von ungefähr 2,8 × 10¹¹ cm^–2. Natürlich sind Dotierstoffe, Implantierstoffe (implants), Energieniveaus und. Dosen wie hierin beschrieben, nur für illustrative Zwecke und wirkliche Ausführungen können weit von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren.
Ein optionales Oxid oder ein anderer Isolator 220 mag auf der Oberfläche der halbleitenden Schicht 206 ausgebildet sein und auf der isolierenden Schicht 204 (z. B. wie gezeigt in 10(c)) durch thermische Oxidation des Siliziums, durch Anreicherung oder durch jegliche andere passende Technik. Wenn thermische Oxidation benutzt wird, mag etwas des Kanals 206 verbraucht werden und die Dicke von Kanal 206 wird weniger sein, als die des Original-Siliziums auf der Oberfläche der SOI Schicht 722. Wie angemessen sein mag, mag die Kanaldicke, welche zur Berechnung des Betriebs der Vorrichtung benutzt wird, die Enddicke nach der Oxidation sein.
Source- und Drain-Kontakte 708 für die n-Kanal Vorrichtungen mögen ausgebildet sein durch Öffnen von Fenstern in der isolierenden Schicht 220 über den n-Kanal Vorrichtungen 200A und Implantieren einer relativ starken Dosis von Arsen (oder jeglichen anderen Materials) in das freigelegte Silizium (10(c)). Ähnlich, die Source- und Drain-Kontakte 708 bei den p-Kanal Vorrichtungen 200B mögen ausgebildet sein durch Öffnen von Fenstern in der isolierenden Schicht 220 über den p-Kanal Vorrichtungen und Implantieren einer relativ hohen Dosis von Bor in das freigelegte Silizium. Die Source und Drain Implantate (implants) können aktiviert werden durch ein Hochtemperaturausheilen (anneal) (in der Größenordnung von ungefähr 800–1000 Grad für ungefähr 1–60 Minuten), oder durch jegliche andere passende Technik. In einer exemplarischen Ausführungsform, mögen die implantierten Kanäle passender Weise bei 950° Celsius für 45 Minuten ausgeheilt oder andersweitig prozessiert sein zur Komplettierung.
Ein Fenster mag auch geöffnet sein im Isolator 220 (10(c)) zum Freilegen des unterliegenden Siliziums in solchen Regionen, wo Schottky Gates 214 auszubilden sind. Das Gate-Metall (so wie Kobalddisilizit oder ein anderes Metall) mag dann angereichert werden und, wenn notwendig, ausgeheilt werden, um eine Schottky-Barriere auszubilden. Ein einzelnes Gate-Metall mag benutzt werden, um das Schottky-Gate bei beiden, den n-Kanal und den p-Kanal Vorrichtungen auszubilden. In verschiedenen Ausführungsformen, wie auch immer, können die Eigenschaften der n- und p-Kanal Vorrichtungen 200 etwas unterschiedlich angepaßt werden, wenn ein unterschiedliches Schottky-Material jeweils benutzt ist. Vorrichtungen können dann miteinander verbunden werden um den Schaltkreis zu bilden durch Ablagern einer hochgradig leitenden Verbindungsschicht, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Gold oder ähnlichem. Weitere Fenster in der isolierenden Schicht 220 mögen eingebracht werden, um Verbindungen zwischen Vorrichtungen unterzubringen, wie zweckdienlich.
Exemplarische komplementäre n- und p-Kanal Vorrichtungen des Typs beschrieben in dieser Offenbarung wurden simuliert basierend auf dem unten beschriebenen Prozeßablauf. Für dieses Experiment wurde die Prozessierung der Vorrichtungen simuliert unter Benutzung des Avant! TCAD Pakets TSUPREME-4. Nach Prozeßsimulation wurden die elektrischen Eigenschaften der n- und p-Kanal Vorrichtungen mit exemplarischen 0,5 μm Gatelängen simuliert unter Benutzung von MEDICI. Auch wenn die Ergebnisse der Simulation präsentiert sind, z. B. in 11–12 für illustrative Zwecke, wird verstanden, daß Ergebnisse, erhalten von den vielen Ausführungsformen der Erfindung weit von den hier präsentierten variieren mögen. Z. B., viele verschiedene Parameter für Vorrichtungsdimensionen, Dotierstoffe, Dotierstoffkonzentrationen und ähnlichem wird passender Weise Leistungsdaten erzeugen, welche dramatisch von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren.
11 zeigt den Ausgangs-Drainstrom resultierend aus einer exemplarischen Simulation als eine Funktion des Eingangs-Gatestroms für die zwei Vorrichtungen. Die Figur zeigt Ergebnisse von einer exemplarischen n-Kanal Vorrichtung 200A mit einer angelegten Drain-Vorspannung V_ds = 1,0 Volt und Ergebnisse von einer exemplarischen p-Kanal Vorrichtung mit angelegten V_ds = –1,0 Volt. Für die n-Kanal Vorrichtung sind beide, der Gatestrom und Drainströme positiv, während für die p-Kanal Vorrichtung beide negativ sind. 11 zeigt die Größe dieser exemplarischen Ströme und zeigt, daß über einen weiten Bereich von Gateruheströmen die zwei Vorrichtungen komplementär sind (d. h. der Drainstrom in der p-Kanal Vorrichtung ist in der Größe gleich, aber unterschiedlich im Vorzeichen zu einer n-Kanal Vorrichtung derselben Dimensionen, wenn der Eingangs-Gatestrom ebenfalls gleich in der Größe, aber unterschiedlich im Vorzeichen ist). Die Prozessierungsverhältnisse der Vorrichtung (z. B. Kanalimplantierungsenergien, Dosen und Ausglühzeiten, etc.) mögen so gewählt werden, um die höchste Komplementärität für Gate-Ruhestromgrößen im Bereich 10^–10 bis 10^–9 Ampere zu geben. Unterschiedliche Komplementärität bei höheren oder niedrigeren Strombereichen kann erreicht werden durch Modifizierung der Prozessierungsverhältnisse, primär bei Variation der Kanaldotierung und/oder Dicke um die Verstärkung zu ändern, wie Gleichung (2) lehrt.
Die Cut-off Frequenz eines Feldeffekttransistors ist im allgemeinen gegeben durch f_T=g_m/2πC_g, und der Gegenwirkleitwert g_m = dI_d/dV_gs kann von Gleichung (1) gezeigt werden als g_m = I_d/U_T. Die gesamte Gatekapazität C_g der Vorrichtung beschrieben durch die vorliegende Erfindung kann simuliert werden unter Benutzung von MEDICI.
Ein exemplarischer Graph einer Eingangs-(z. B. Gate-)Kapazität für eine 0,5 μm Gatelängen n-Kanal Vorrichtung mit einem ionenimplantierten Kanal (implantiert mit Phosphor bei einer Energie E = 25 keV zu einer Dosis von 3,5 × 10¹¹ cm^–2) einer Dicke A = 0,12 μm ist in (12) gezeigt. Für diese besondere exemplarische Ausführungsform wurde 950°C für 45 Minuten zum post-implant ausheilen angenommen, die Gatelänge wurde angenommen als 0,5 μm und die Drainvorspannung angenommen als 1,0 Volt, auch wenn natürlich verschiedene andere Parameter benutzt werden können. Wie sicherlich aus 12 erkannt werden kann, mag die totale Kapazität dieser exemplarischen SJT-Vorrichtung Größenordnungen kleiner sein, als ein äquivalenter Bipolar-Junction-Transistor, wegen der Abwesenheit der Minoritätsladungsdiffusionskapazität (minority charge diffusion capacitance). Als ein Ergebnis mag der modelierte SJT im Micropowerbereich bei wesentlich höheren Frequenzen betrieben werden, als ein vergleichbarer BJT. Vielmehr können kürzere Gatelängen ermöglicht werden, wodurch erhöhte Betriebsfrequenzen möglich sind im Vergleich zu Stand der Technik schwach invertierten CMOS Schaltungen. Mit weiterem Bezug zu 12 mag die Eingangskapazität bei einem Drainruhestrom (bias) von ungefähr 1 μA/μm ungefähr 3,5 × 10–¹⁶ F/μm sein, was zu einer Cut-Off Frequenz von ungefähr 18 GHz korrespondieren mag. Die Gatekapazität der neuen Vorrichtung mag weiterhin kleiner sein, als Stand der Technik MOSFET derselben Dimensionen. Die Eingangskapazität eines konventionellen MOSFET ist im allgemeinen beherrscht durch die sog. Oxidkapazität, C_ox, und für einen stark invertierten MOSFET mit einem 2 nm Gateoxid und L_g = 0,5 μm ist die Oxidkapazität C_ox ungefähr 80 × 10^–16 F/μm. Als ein Ergebnis können verschiedene Ausführungsformen von SJTs Cut-Off Frequenzen haben, die ungefähr 20 mal schneller sind als Stand der Technik MOSFETs derselben Dimensionen welche denselben Strom tragen.
Es wird gewürdigt, daß der SJT im Bereich der schwachen Anreicherung sein kann (z. B. mit einer Vorspannung kleiner als die Schwellwertspannung V_th), welches angesehen werden mag, als in einigen Wegen analog zu dem Fall der schwachen Inversion für den MOSFET. Wenn der Eingangsgatestrom des SJT über einen bestimmten Wert erhöht wird (entsprechend zu V_th) mag die Vorrichtung sich in den Bereich starker Anreicherung bewegen und Gleichung (2) mag nicht länger gültig sein. Das Verhältnis von I_d zu I_g wird abnehmen, wie I_g ansteigt und an einem Punkt wird I_g größer sein als I_d. Wenn dieses auftritt, mag die Leistung des SJT vergleichbar zu der eines Anreicherungstyp MESFETs mit V_gs > V_th und einem stark leckenden Gate sein. Verschiedene Ausführungsformen des SJT mögen dadurch angesehen werden als ein Anreicherungstyp MESFET, welcher unterhalb des Schwellwerts (d. h. V_gs < V_th) arbeitet. In dieser Ordnung mögen beide, der Gatestrom und der Drainstrom exponentiell mit V_gs variieren. Wenn der SJT so ausgelegt ist, daß I_g < I_d ist, mag dennoch die Stromverstärkung größer sein als Eins im schwachen Anreicherungszustand (d. h. unter Schwellwert). Dies mag erreicht werden, z. B. durch Design der aktiven Schicht zum Aufweisen einer Schwellwertspannung ähnlich zu der Turn-on-Spannung des Schottky-Gates, welche mit den benutzten Materialien variieren mag, aber in der Größenordnung von ungefähr 0,3 Volt sein mag. Der Gateruhestrom mag dann zu solchen Werten limitiert sein, so daß 0 < V_gs < V_th ≈ 0,3 Volt. Diese Methode des Betriebs mag in einiger Hinsicht verglichen werden zum Betrieb eines BJT unterhalb der Turn-On-Spannung des Basis-Emitter-Übergangs (welcher typischerweise 0,7 Volt ist), aber ohne die Nachteile im Zusammenhang mit Minoritätsladungsträgern.

Claims

Ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangsstroms in einer Einheit (200) beinhaltend ein Source-Terminal (210), ein Gate-Terminal (214) und ein Drain-Terminal (208) angeordnet auf einem halbleitenden Kanal (206), wobei besagter halbleitender Kanal (206) eine Verarmungszone (216) zwischen besagtem Source-Terminal (210) und besagtem Drain-Terminal (208) umfaßt, während dieses Gate-Terminal (214) so beschaffen ist, einen Eingangsstrom, fließend vom besagten Gate-Terminal (214) in besagten halbleitenden Kanal (206), zur Veränderung der Größe der besagten Verarmungszone (216) bereit zu stellen, besagtes Gate-Terminal eine Schott-lry-Barriere angeordnet auf besagtem halbleitenden Kanal beinhaltet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Anlegen einer Vorspannung (V_gs) an besagtem Gate-Terminal (214), so dass besagte Verarmungszone (216) einen Stromfluß in besagtem halbleitenden Kanal (206) erlaubt, wobei besagte Vorspannung (V_gs) für besagte Einheit (200) kleiner ist als eine Schwellwertspannung (V_th), so dass diese besagte Einheit (200) in einem Sub-Threshold-Mode arbeitet, und Steuern eines Gate-Stroms, fließend von besagtem Gate-Terminal (214) in besagten Kanal (206), zur Veränderung besagter Verarmungszone (216) und dadurch Erzeugung besagten Ausgangsstroms an besagtem Drain-Terminal (208) als eine Funktion des besagten Gate-Stroms.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich der Ausgangsstrom im Bereich schwacher Anreicherung wesentlich exponentiell mit einer Gate-Source-Spannung ändert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei besagter Eingangsstrom sich wesentlich exponentiell mit einer Gate-Source-Spannung im Sub-Threshold-Mode ändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei besagte Einheit ein MESFET (200) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei besagtes Gate-Terminal eine Schottky-Barriere beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei besagte Source- (210) und Drain-Terminals (208) einen ohmschen Kontakt beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, beinhaltend den Schritt die Verarmungszone (216) so zu beschaffen, daß diese Verarmungszone (216) wesentlichen Stromfluß im besagten halbleitenden Kanal (206) verhindert, falls kein Strom oder keine Spannung an besagtem Gate-Terminal (214) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei besagte Verarmungszone (216) folgendermaßen konfiguriert ist:
mit W: Breite der Verarmungszone (216), N_D: Donatorkonzentration, ε und q Konstanten, V_bi: interne Spannung zwischen Gate-Terminal (214) und halbleitendem Kanal (206) sowie V_gs: angelegte Spannung zwischen besagtem Gate-Terminal (214) und besagtem Source-Terminal (210).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei besagte Vorwärtsspannung besagte Einheit (200) in den Zustand schwacher Anreicherung setzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beide, besagter Gate-Strom und besagter Ausgangsstrom, primär durch Majoritätsladungsträger erzeugt werden.
Eine Vorrichtung, welche über einen halbleitenden Kanal (206), der ein Source-Terminal (210) mit einem Drain-Terminal (208) verbindet, sowie über eine Verarmungszone (216), welche so beschaffen ist, daß ein Strom, fließend vom besagten Source-Terminal (210) zu besagtem Drain-Terminal (208) über besagten halbleitenden Ka nal (206), verändert werden kann, sowie über ein Gate-Terminal (214) verfügt, angeordnet auf besagtem halbleitenden Kanal (206), so beschaffen, daß ein Eingangsstrom fließend von besagtem Gate-Terminal (214) in besagten halbleitenden Kanal (206) zur Veränderung der Größe der besagten Verarmungszone (216) verwendet wird, wobei besagtes Gate-Terminal (214) eine Schottky-Barriere, angeordnet auf besagtem halbleitenden Kanal, beinhaltet, wobei der Ausgangsstrom, fließend zwischen besagtem Source-Terminal (210) und besagtem Drain-Terminal (208), eine Funktion des besagten Eingangsstroms darstellt, falls die Einheit im Sub-Threshold-Mode arbeitet, die Einheit so konfiguriert ist, daß der Ausgangsstrom sich wesentlich exponentiell mit der Gate-Source-Spannung für Gate-Source-Spannungen im Bereich zwischen 0<V_gs<0,3 Volt ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem sich der Eingangsstrom im Bereich schwacher Anreicherung wesentlich exponentiell mit der Gate-Source-Spannung V_gs ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei besagte Einheit ein MESFET (200) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei besagte Source- (210) und Drain-Terminals (208) einen ohmschen Kontakt beinhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 13, wobei besagte Verarmungszone (216) so beschaffen ist, dass diese Verarmungszone (216) wesentlichen Stromfluß im besagten halbleitenden Kanal (206) verhindert, falls kein Strom oder keine Spannung an besagtem Gate-Terminal (214) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei besagte Verarmungszone (216) folgendermaßen konfiguriert ist:
mit W: Breite der Verarmungszone (216), N_D: Donatorkonzentration, ε und q Konstanten, V_bi: interne Spannung zwischen Gate-Terminal (214) und halbleitendem Kanal (206) sowie V_gs: angelegte Spannung zwischen besagtem Gate-Terminal (214) und besagtem Source-Terminal (210).
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei eine Vorspannung besagte Einheit (200) im Sub-Threshold-Mode in den Zustand schwacher Anreicherung setzt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei beide, besagter Eingangsstrom und besagter Ausgangsstrom, primär durch Majoritätsladungsträger erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem sich der Eingangsstrom im Bereich schwacher Anreicherung wesentlich exponentiell mit der Gate-Source-Spannung V_gs ändert.