Частотные свойства полевых транзисторов

Идею создания полевого транзистора предложил Лилиенфельд в 1925 г. Первый действующий прибор удалось создать Шокли в 1952 г. В результате последующего интенсивного совершенствования полевой транзистор стал ведущим активным прибором полупроводниковой электроники и продвинулся до рабочих частот выше 100 ГГц.

Наибольшее распространение в устройствах СВЧ диапазона получил полевой транзистор с барьером Шоттки на затворе (ПТШ), упрощенная конструкция которого представлена на рис. 9.1.

Прибор изготовлен из GaAs на высокоомной («полуизолирующей») подложке, на которой методом эпитаксии выращен активный n-слой. Канал длиной l_к расположен между омическими контактами истока и стока. Контакт затвора длиной l_з формирует барьер Шоттки к n-слою канала. Статические выходные характеристики транзистора в схеме с общим истоком приведены на рис. 9.2, они принципиально не отличаются от характеристик полевых транзисторов других типов [7].

Рис. 9.2. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим истоком

ПТШ имеет встроенный канал, максимальный ток стока соответствует нулевому напряжению затвора.

По аналогии с рассмотренными в разделе 8.1 частотными свойствами биполярных транзисторов (см. соотношение 8.3) можно использовать упрощенное выражение для частоты отсечки коэффициента усиления w_T с учетом основных факторов инерционности прибора:

,

(9.1)

где

– постоянная времени зарядки емкости затвора C_з через сопротивление канала предыдущего транзистора r_к ;

– время пролета носителей заряда через канал, ℇ (x) – распределение напряженности электрического поля в канале.

Рассмотрим эти выражения более подробно.

Сопротивление канала шириной b равно

.

(9.2)

Для емкости затвора имеем:

.

(9.3)

В реальных структурах длина затвора обычно близка к длине канала (см. раздел 9.2). Поэтому примем упрощение: , с учетом этого получаем:

.

(9.4)

С целью упрощения выражения для времени пролета носителей через канал примем допущение об однородности распределения напряженности поля в данной области: , что дает

.

(9.5)

Из анализа выражений (9.1), (9.4) и (9.5) следует, что

,

(9.6)

где знак «~» означает пропорциональную зависимость.

Итак, для снижения факторов инерционности ПТШ и повышения предельной рабочей частоты требуется выбирать материал с максимальной подвижностью электронов и снижать длину пролетного участка l .