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Halbleiter-Elektronik Eine aktuelle Buchreihe fiir Studierende und Ingenieure
Halbleiter-Bauelemente beherrschen heute einen großen Teil der Elektrotechnik. Dies äußert sich einerseits in der großen Vielfalt neuartiger Bauelemente und andererseits in den enormen Zuwachsraten der Herstellungsstückzahlen. Ihre besonderen physikalischen und funktionellen Eigenschaften haben komplexe elektronische Systeme z. B. in der Datenverarbeitung und der Nachrichtentechnik ermöglicht. Dieser Fortschritt konnte nur durch das Zusammenwirken physikalischer Grundlagenforschung und elektrotechnischer Entwicklung erreicht werden.
Um mit dieser Vielfalt erfolgreich arbeiten zu können und auch zukünftigen Anforderungen gewachsen zu sein, muß nicht nur der Entwickler von Bauelementen, sondern auch der Schaltungstechniker das breite Spektrum von physikalischen Grundlagenkenntnissen bis zu den durch die Anwendung geforderten Funktionscharakteristiken der Bauelemente beherrschen.
Dieser engen Verknüpfung zwischen physikalischer Wirkungsweise und elektrotechnischer Zielsetzung soll die Buchreihe "Halbleiter-Elektronik" Rechnung tragen. Sie beschreibt die Halbleiter-Bauelemente (Dioden, Transistoren, Thyristoren usw.) in ihrer physikalischen Wirkungsweise, in ihrer Herstellung und in ihren elektrotechnischen Daten.
Um der fortschreitenden Entwicklung am ehesten gerecht werden und den Lesern ein für Studium und Berufsarbeit brauchbares Instrument in die Hand geben zu können, wurde diese Buchreihe nach einem "Baukastenprinzip" konzipiert:
Die ersten beiden Bände sind als Einführung gedacht, wobei Band 1 die physikalischen Grundlagen der Halbleiter darbietet und die entsprechenden Begriffe definiert und erklärt. Band 2 behandelt die heute technisch bedeutsamen Halbleiterbauelemente in einfachster Form. Ergänzt werden diese beiden Bände durch die Bände 3 bis 5, die einerseits eine vertiefte Beschreibung der Bänderstruktur und der Transportphänomene in Halbleitern und andererseits eine Einführung in die technologischen Grundverfahren zur Herstellung dieser Halbleiter bieten. Alle diese Bände haben als Grundlage einsemestrige Grund- bzw. Ergänzungsvorlesungen an Technischen Universitäten.
Fortsetzung und Übersicht über die Reihe: 3. Umschlagseite
W. Kellner · H. Kniepkamp
GaAsFeldeffekttransistoren
Mit 119 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dr. phil. WALTER KELLNER Fachgruppenleiter, Zentrale Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München
Dipi.-Phys. HERMANN KNIEPKAMP Fachabteilungsleiter, Zentrale Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München
Dr. rer. nat. WALTER HEYWANG Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München Professor an der Technischen Universität München
Dr. techn. RUDOLF MÜLLER Professor, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Biblithek. Kellner, Waller: GaAs-Feldeffekttransistoren!W Kellner; H. Kniepkamp.Berlin; Heidelberg; NewYork; Tokyo: Springer 1985. (Halbleiter-Elektronik; Bd.16)
ISBN 978-3-540-13763-4 ISBN 978-3-662-07363-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07363-6
NE: Kniepkamp, Hermann; GT Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des§ 54, Abs. 2 UrhG werden durch die »Verwertungsgesellschaft Wort«, München, wahrgenommen.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1985
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
2362/3020 - 54321 0
Vorwort
Die zunehmende Bedeutung von Galliumarsenid-Feldeffekttransi
storen al& vielseitig einsetzbare Bauelemente in der Mikro
wellentechnik und als Grundelemente integrierter Schaltungen
gab den Anlaß, diesem Bauelement einen eigenen Band der Reihe
"Halbleiter-Elektronik" zu widmen. Hierin werden zunächst die
Grundlagen und die Theorie des Stromtransports allgemein für
Hochfrequenz-FET behandelt. Kleinsignalverhalten, Rauschen,
Großsignalverhalten (FET als Leistungsverstärker), Technolo
gie und Zuverlässigkeit werden am Beispiel des Galliumarsenid
Feldeffekttransistors dargestellt. Die Schlußkapitel bieten
einen Ausblick auf neuere Technologie und Materialien für
Feldeffekttransistoren sowie auf integrierte Schaltungen.
Das Buch wendet sich an Ingenieure, Naturwissenschaftler und
Studenten, die sich in die Thematik der Feldeffekttransisto
ren auf Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid oder Indium
phosphid einlesen oder einarbeiten wollen. Vorausgesetzt wird
die Kenntnis der Grundlagen der Halbleiter-Elektronik, wie sie
beispielsweise in Band 1 dieser Reihe dargestellt ist.
Unser Dank gilt den Herren Prof. Dr. Walter Heywang, Prof. Dr.
Rudolf Müller und Dr. Jan-Erik Müller für kritische Anmerkun
gen zum Manuskript. Den Herren Dr. Herbert Weidlich und Dr.
Ewald Pettenpaul danken wir für die Bereitstellung von Meßer
gebnissen an Kleinsignal-FET, Frau Jutta Striedacher und Frau
Barbara Hauser für das Schreiben des Manuskripts sowie dem
Springer-Verlag für die sorgfältige Gestaltung des Buches.
München, im Oktober 1984 W. Kellner, H. Kniepkamp
5
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen und Symbole. . . . . . . . . . . . . . . . 11
Einleitung 17
2 Grundlagen 1 9
2.1 Prinzip des FET. 1 9
2.2 Ausführungsformen von FET. 26
2.3 Der Metall-Halbleiter-übergang 29
2.3.1 Austrittsarbeit und Elektronenaffinität. 30
2.3.2 Metall-Halbleiter-Kontakt. . . . . . . 31
2.3.3 Oberflächenzustände und Barrierenhöhe. 33
2.3.3.1 Halbleiter mit hoher Oberflächenzustandsdichte.
2.3.3.2 Halbleiter mit geringer Oberflächenzustandsdichte.
2.3.4 Stromtransport im Metall-Halbleiter-
36
37
Kontakt. . . . . . . . . . . . 39
2.3.4.1 Majoritätsträgerstrom. 39
2.3.4.2 Minoritätsträgerstrom. 45
2.3.5 Die Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontakts . 46
2.4 Der p+n-übergang . . . . 47
2.4.1 Diffusionsspannung des abrupten p+n-übergangs. . . . . . . 4 7
2.4.2 Strom-Spannungs-Charakteristik . 50
2.4.3 Einfluß von Generation und Rekombination in der Raumladungszone 51
2.4.4 Diffusionskapazität. . 53
7
2.5 Die MIS-Struktur
2.5.1 Die ideale MIS-Struktur.
2.5.2 Einfluß von Austrittsarbeit des Metalls, von Ladungen im Isolator und von Oberflächenzuständen auf die MIS-Charakteristik.
3 Theorie des Ladungstransports.
3.1 Vorbemerkung
3.2 Kennlinien von JFET und MESFET
3.2.1 Die "gradual channel"-Näherung
3.2.2 Der Einsatz der Sättigung.
3.2.3 Sättigungsbereich.
3.2.4 Vereinfachtes Modell
3.3 Kennlinien von MISFET.
3.3.1 Normally-on-MISFET
3.3.2 Normally-off-MISFET.
3.4 Einfluß der Zuleitungswiderstände.
3.5 Numerische Lösungen der Poisson-Gleichung.
4 GaAs-MESFET.
8
4.1 Kleinsignalverhalten
4.1.1 Ersatzschaltbild
4.1.2 Steilheit gm.
4.1.3 Drainwiderstand des inneren FET rd
4.1.4 Innenwiderstand r. l
4.1.5 Source-Gate-Kapazität C sg
4.1.6 Gate-Drain-Kapazität Cgd
4.1.7 Source-Drain-Kapazität Csd
4.1.8 Sourcewiderstand Rs und Drainwiderstand Rd
4.1.9 Gatewiderstand
4.2 Rauschen .
4.2.1 Das Rausch-Ersatzschaltbildund die minimale Rauschzahl des inneren FET.
4.2.2 Drainrauschen (innerer FET).
4.2.2.1 Kanalteil I.
4.2.2.2 Kanalteil II
55
55
62
66
66
69
69
73
74
82
83
84
89
95
98
107
107
107
110
11 3
11 5
117
1 22
1 23
1 24
1 24
1 26
127
129
129
130
4.2.3 Gaterauschen (innerer FET)
4.2.3.1 Kanalteil I.
4.2.3.2 Kanalteil II
4.2.4 Korrelationskoeffizient zwischen Gate-und Drainrauschen.
4.2.5 Rauschzahl des FET mit parasitären Widerständen .
4.2.6 Minimale Rauschzahl ..
4.2.7 Empirische Beziehungen für Fmin"
4.3 Kleinsignal-FET: Stand 1982.
4.4 Leistungs-FET.
4.4.1 Kenngrößen des Leistungs-FET
4.4.2 Struktur des Leistungs-FET
4.4.3 Anpassung ..
4.4.4 Leistungs-FET: Stand 1980.
5 GaAs-Planartechnologie . . . . . . .
133
133
135
136
137
142
145
148
155
156
158
167
172
175
5.1 Herstellung von semiisolierendem Gas 176
5.2 Herstellung der aktiven Schichten. 178
5.2.1 Gasphasenepitaxie. 178
5.2.2 Ionenimplantation. 181
5.2.3 Chrom-Umverteilung 183
5.2.4 Profile von n-Typ-Dotierstoffen. 185
5.2.5 Anwendung der Ionenimplantation bei der Herstellung des FET. 186
5.3 Herstellung der Bauelementestruktur. 188
5.3.1 Schichtstrukturierung. 188
5.3.2 Kontaktherstellung 189
5.3.3 Passivierung . 191
5.3.4 Struktur und geometrische Daten eines Kleinsignal-FET. . . . . . . . . . . 192
6 Stabilität und Zuverlässigkeit von GaAs-MESFET .... 194
6.1 Materialeinflüsse ....
6.1.1 Tiefe Störstellen.
6.1.2 Burnout ....
195
195
199
9
6.2 Einfluß der Metallisierung
6.2.1 Schottky-Kontakt
6.2.2 Ohmscher Kontakt
6.3 Zuverlässigkeitsdaten.
7 Ternäre und quaternäre Halbleiter für
Hochfrequenz-FET .
204
205
207
208
212
7.1 Einfachschicht-Strukturen. 213
7.2 Mehrfachschicht-Strukturen 221
7.2.1 Übergitterstrukturen 222
7.2.2 MESFET mit zweidimensionalem Elektronengas (HEMT: high electron mobility transistor). 225
8 Ausblick: Monolithisch integrierte Schaltungen
auf GaAs . . .
8.1 Analoge Schaltungen.
8.2 Digitale Schaltungen
Anhang .
A1 Smith-Diagramm
A2 S-Parameter ..
A3 Kenngrößen von Netzwerken.
Literaturverzeichnis ..
Sachverzeichnis.
10
231
231
233
236
236
240
244
. 249
. . . . . . . . 26 7
Bezeichnungen und Symbole
A
a
b(x)
c
d
d
E
E
Fläche
Kanaldicke
Dicke einer Isolatorschicht
Kanalöffnung
Kapazität oder Korrelationskoeffizient (Abschn. 4. 2)
Source-Drain-Kapazität
Source-Gate-Kapazität
Gate-Drain-Kapazität
Isolatorkapazität
Raumladungskapazität
dielektrische Verschiebung
Diffusionskonstante für Elektronen
Drainspannungsvariable, Gl. (3.12)
Schichtdicke des Gatemetalls
elektrische Feldstärke
Sättigungsfeldstärke
Feldstärke beim Maximum der v(E)-Kurve
Energie
Fermi-Niveau
Energie-Niveau der Leitungsbandkante
11
E V
Eg
E. 1
F, F min
f
f 1 (s,p)
f 2 (s,p)
fg
fr
fc
g' m
G
MAG
h
I
-:2 1
j
12
Energie-Niveau der Valenzbandkante
Bandabstand
Fermi-Niveau eines eigenleitenden Halbleiters
Rauschzahl, minimale Rauschzahl
Frequenz
Transitfrequenz, gm/2n Csg
maximale Schwingfrequenz
Funktion nach Gl. (3.14)
Funktion nach Gl. (4.31)
Funktion nach Gl. (4.6)
Funktion nach Gl. (4.12)
Funktion nach Gl. (4.33)
Schichtleitwert nach Gl. (3.5) (Leitfähigkeit mal Kanaldicke)
Steilheit des inneren FET, Gl. (3.61)
Steilheit des äußeren FET, Gl. (3.62)
Leistungsverstärkung, Gewinn
Gewinn bei minimalem Rauschen
maximal verfügbarer Gewinn
maximaler unilateraler Gewinn
Plancksche Konstante, h = 6,626 · 10-34 Js
Strom
Drainstrom
Drainsättigungsstrom
Drainsättigungsstrom bei V = 0 g
Gatestrom
Drainsättigungsstrom bei verschwindender Raumladungszone, Gl. (3.18)
mittleres Schwankungsquadrat des Stroms (Abschn.4.2)
Stromdichte
j 1
j2
js
jpO
k
L
Ls
Ld
Lsg
Lgd
Lsd
1
LD
rno, rn*
N
NA
ND
N c
N V
+ -n/n /n
n. 1
nnO
npO
p
p
Elektronenstrom vorn n-Halbleiter zum Metall, Gl. (2.16)
Elektronenstrom vorn Metall zum n-Halbleiter, Gl.(2.17)
Sättigungsstromdichte
Sättigungsstromdichte des Löcherstrorns, Gl. (2.25)
Bol tzrnann-Konstante (k = 1, 380 · 10- 23 JK- 1 )
Gatelänge
Länge des Sourcekontakts
Länge des Drainkontakts
Abstand Source-Gate
Abstand Gate-Drain
Abstand Source-Drain
Weite der Raumladungszone
Debye-Länge (Abschn.2.5)
freie Elektronenrnasse, effektive Elektronenmasse
Netto-Dotierungskonzentration N =ND- NA
Akzeptorkonzentration
Donatorkonzentration
äquivalente Zustandsdichte an der Leitungsbandkante
äquivalente Zustandsdichte an der Valenzbandkante
Bezeichnungen für n-Halbleiter: mittel/stark/ schwach dotiert
Eigenleitungsträgerdichte
Elektronendichte bei thermischem Gleichgewicht im n-Halbleiter
Elektronendichte bei thermischem Gleichgewicht im p-Halbleiter
Verlustleistung
Sättigungsspannungsvariable nach Gl. (3.12)
13
Q
R
r. ].
s
T
t
u
u
V
14
Ladung, Flächenladung nach Gl. (3.3)
im Halbleiter induzierte Flächenladung (Abschn. 2. 5)
Flächenladung im Inversionskanal (Abschn. 2. 5)
Flächenladung der Raumladungszone (Abschn. 2. 5)
Flächenladung durch feste Ladungen im Isolator
Oberflächenladung, umladbar
Kanalladung
Elementarladung (q = 1, 602 · 1 o- 19 C)
Widerstand
Sourcewiderstand}
Drainwiderstand Kontakt- und Bahnwiderstand
Gatewiderstand
Schichtwiderstand (spezifischer Widerstand geteilt durch Schichtdicke)
Wärmewiderstand
Drainwiderstand des inneren FET
Innenwiderstand
Eingangsreflexionskoeffizient
Vorwärtsübertragungskoeffizient
Rückwärtsübertragungskoeffizient
Ausgangsreflexionskoeffizient
S-Parameter (s. Anhang)
Gatespannungsvariable nach Gl. (3.12)
Temperatur
Zeit
Spannung nach Gl. (3.7)
Spannung zum Ausräumen der n-Schicht, Gl. (3.8)
Variable nach Gl. (3.12)
Spannung, Potentialdifferenz
vs
vg
vd
V ss
V gg
vdd
vP
vsat
vt
V' t
VFB
vg
vd
2 2 vd, vg
V
vs
vm
w
W'
x, y,
y
z
E
Eo
n
;>,.
lJ
z
innere Sourcespannung (V s = 0, wenn Rs = 0)
innere Gate-Source-Spannung
innere Drain-Source-Spannung
äußere Sourcespannung (meist
äußere Gate-Source-Spannung vss = 0)}
Abb. (3 .14)
äußere Drain-Source-Spannung
Drainsättigungsspannung, innerer FET
Drainsättigungssp-annung, FET mit Widerständen
Schwellenspannung, Einsatzspannung, Threshold voltage, bei normally-off-FET
Abschnürspannung, pinch-off-voltage, turn-off-voltage, bei normally-on-FET
Flachbandspannung
Gatespannung, Wechselgröße
Drainspannung, Wechselgröße
mittlere Schwankungsquadrate der Spannung (Abschn. 4. 2)
Geschwindigkeit
Sättigungsgeschwindigkeit (s. Abb.2.7)
maximale Elektronengeschwindigkeit
Gatebreite (gesamt)
Gatebreite (Einzelfinger)
Ortskoordinaten
Admittanz
Impedanz
Dielektrizitätskonstante, Permittivität E = EOEr
-14 elektrische Feldkonstante, Eo = 8,854 · 10 F/cm
Wirkungsgrad
Wärmeleitfähigkeit
Beweglichkeit
15
llo p
0
T
T n
T p
qM n
q\jJ(x)
16
Beweglichkeit bei kleiner Feldstärke
spezifischer Widerstand
Leitfähigkeit
Laufzeit, Zeitkonstante
Minoritätsträgerlebensdauer für Elektronen in p-Material
Minoritätsträgerlebensdauer für Löcher in n-Material
Sättigungsparameter nach Gl. (3.21)
Diffusionsspannung, built-in-Spannung
Austrittsarbeit eines Metalls
Austrittsarbeit eines HalbJeiters
Barrierenhöhe eines Metall-n-Typ-HalbleiterUbergangs
Barrierenerniedrigung durch Bildkrafteffekt
Elektronenaffinität
Bandverbiegung als Funktion des Ortes q\j! (x) = E (x) -Ei
1jJ = 0 im Inneren des Halbleiters
Energiedifferenz EF- Ei
Bandverbiegung an der Halbleiteroberfläche
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