1 Grundprinzip. Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren FET/1

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1 Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren FET/1 1 Grundprinzip Bei Feldeekttransistoren wird der Stromuss durch ein elektrisches Feld, das von der Gate-Elektrode ausgeht, gesteuert. Man unterscheidet zwischen Feldeekttransistoren mit isoliertem Gate (z. B. MOSFET) und Sperrschicht-Feldeekttransistoren (auch JFET, J steht dabei für junction). Eine spezielle Ausführung eines Sperrschicht-Feldeekttransistors stellt der MESFET dar, bei dem die Sperrschicht am Gate-Kontakt durch eine Schottky-Diode in Sperrrichtung realisiert ist. Die Kennlinien der verschiedenen FET-Typen sind in Abb. 1 (aus Zinke-Brunswig, Band 2) dargestellt. Abb. 1: Kennlinien verschiedener FET-Typen. Man unterscheidet dabei sowohl zwischen dem Leitungstyp des Kanals (n oder p) sowie zwischen selbstsperrenden (enhancement type, I D 0 für U GS 0) und selbstleitenden (depletion type, I D 6 0 für U GS 0) FETs. JFETs und MESFETs sind daher im Allgemeinen selbstleitend. Für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik werden FETs sowohl auf der Basis von Si als auch auf der Basis von III/V-Halbleitern, insbesondere GaAs, eingesetzt. Für FETs auf der Basis des III/V- Halbleiters GaAs verwendet man MESFETs oder HEMTs (high electron-mobility transistors). Das Hochfrequenzverhalten von FETs soll hier am Beispiel von GaAs-MESFETs näher beschrieben werden, wobei die grundsätzlichen Betrachtungen sich auch auf Si-JFETs oder Si-MOSFETs übertragen lassen.

2 Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren FET/2 Hochfrequenztechnik I FET/2 Vergleich zwischen Si-JFETs und GaAs-MESFETs 1.1 Vergleich zwischen Si-JFETs und GaAs-MESFETs In Bild 2 ist der prinzipielle Aufbau eines MESFETs einem JFET gegenübergestellt. In Abb. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines MESFETs einem JFET gegenübergestellt. Metallelektroden S / \ G \ 0 G o Ka"nal semi - isolierendes GaAs -a b Bild 2: a) schematischer Aufbau eines n-kanal GaAs MESFETs b) schematischer Aufbau eines n-kanal si JFETs Abb. 2: Schematischer Aufbau eines a) n-kanal-gaas-mesfets und b) n-kanal-si-jfets. Sowohl beim JFET als auch beim MESFET wird durch ein an der Gate- Elektrode G anliegendes elektrisches Feld der Kanalstrom zwischen dem Drain-(D) und dem Source-(S) Kontakt gesteuert. Der Kanal kann prinzipiell entweder n- oder p-dotiert sein; wegen der höheren Beweglichkeit und der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeit von Elektronen im Vergleich zu Löchern besitzen n-kanal FETs die besseren Hochfrequenzeigenschaften. Die folgenden Betrachtungen beziehen sich deshalb vorwiegend auf n-kanal FETs. Sowohl beim JFET als auch beim MESFET wird durch ein an der Gate-Elektrode G anliegendes elektrisches Feld der Kanalstrom zwischen dem Drain- (D) und dem Source- (S) Kontakt gesteuert. Der Kanal kann prinzipiell entweder n-oder p-dotiert sein; wegen der höheren Beweglichkeit und der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeit von Elektronen im Vergleich zu Löchern besitzen n-kanal- FETs die besseren Hochfrequenzeigenschaften. Die folgenden Betrachtungen beziehen sich deshalb vorwiegend auf n-kanal FETs. Im Vergleich zwischen Si-JFET und GaAs-MESFET besitzt wiederum ein GaAs-MESFET die besseren HF-Eigenschaften wegen 1) der höheren (bei kleinen ist 1500 cm /(Vs) bei si gegenüber 8000 cm /(Vs) bei GaAs). Im Vergleich zwischen Si-JFET und GaAs-MESFET besitzt wiederum ein GaAs-MESFET die besseren HF-Eigenschaften wegen 2) der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeiten V der Elektronen (v 100 bei si und V 200 s s s bei Vs GaAs) n 8000 cm2 bei GaAs). Vs 3) der Möglichkeit, in GaAs ein semi-isolierendes 10 8 n cm) Substrat (vergi. Bild 2a) zu realisieren. Deshalb ergeben sich beim GaAs-MESFET sehr viel derkleinere Elektronen parasitäre (v s 100Kapazi- täten als beim Si-JfET. m ns 200 m bei GaAs) ns Trotz der gegenüber si sehr viel komplizierteren GaAs-Technologie werden deshalb bei sehr hohen Frequenzen GaAs-MESFETs eingesetzt. ˆ der höheren Elektronenbeweglichkeit (bei kleinen Feldstärken ist n 1500 cm2 ˆ der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeiten v s bei Si, jedoch bei Si und v s ˆ der Möglichkeit, in GaAs ein semi-isolierendes (p 10 8 cm) Substrat (vergl. Abb. 2a) zu realisieren. Deshalb ergeben sich beim GaAs-MESFET sehr viel kleinere parasitäre Kapazitäten als beim Si-JFET. Trotz der gegenüber Si sehr viel komplizierteren GaAs-Technologie werden deshalb bei hohen Anforderungen GaAs-MESFETs eingesetzt. 2 Wirkungsweise eines GaAs-MESFETs Ein GaAs-MESFET beinhaltet einen n-dotierten Kanal (n-dotierung N D cm 3 ) der Dicke d 0; 1 : : : 0; 3 m. Drain- und Source-Anschlüsse sind ohmsche Kontakte, während es sich beim Gate-Anschluss um einen Schottky-Kontakt handelt. Der Transistor wird mit U GS < 0 und U DS > 0 betrieben, so dass der Schottky-Kontakt in Sperrrichtung betrieben wird mit der Sperrschichtweite w (x) (s. Abb. 3). Der Drainstrom I D wird durch die negative Gate-Source-Spannung U GS gesteuert, wobei eine Veränderung von U GS zu einer Veränderung der Sperrschichtweite w (x) führt. Die Sperrschichtweite

3 2 S -.j'----- Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren FET/3 Abb. 3: Prinzipielle Darstellung eines n-kanal-gaas-mesfets. w (x) nimmt für U DS > 0 mit zunehmendem x zu, bis sich schlieÿlich bei genügend groÿem U DS die Sperrschichtweite w (x) d ergibt und damit der Kanal wie in Abb. 3 abgeschnürt wird. Unter dem Gate-Kontakt in Abb. 3 ergibt sich ein Driftfeld, das zum Drainstrom I D führt, wobei die Elektronen durch den abgeschnürten Bereich hindurch driften. Für den Fall des abgeschnürten Kanals wird der Drainstrom nahezu unabhängig von U DS und hängt somit fast nur noch von U GS ab. Die sich ergebenden Kennlinien sind schematisch in Abb. 1 eingetragen. Für U GS < U S (U S Schwellenspannung mit U S < 0) ieÿt kein Drainstrom, da dann bereits die Gate-Source-Spannung allein zu einer Sperrschichtweite w (x 0) d führt. Zu einer Abschnürung wie in Abb. 3 und damit zu einem von U DS unabhängigen Drainstrom I D kommt es dagegen für U DG U DS U GS > U S. Die (negative) Schwellenspannung U S liegt typischerweise im Bereich von wenigen Volt. 3 Kleinsignalverhalten AusHochfrequenztechnik Abb. 3 lässt sich bereits eini einfaches Hochfrequenz-Kleinsignal-Ersatzschaltbild ableiten, FET/4 wie es in Abb. 4 dargestellt ist. Cgd I d -0 I 1,.L. Cgs I!Jgs 5.!:}, t r gs Cds!Jds 5 5 t Bild Abb. 4: 4: Vereinfachtes Hochfrequenz-Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines FETs. eines FETs In Abb. In Bild 4 stellen4 Ustellen gs, U ds, U und s' I d!io.s die Zeiger ' I der,.!(j Kleinsignalgröÿen die Zeiger dar der (ähnlich Kleinsignalgrößen dar bei einem (ähnlichgwie festen Arbeitspunkt, beim der z. B. durch die Gleichspannungen bei einem U DS wie beim Bipolartransistor) festen und U GS Arbeitspunkt, der z.b. durch die Gleichspannungen GS ' UDS eingestellt eingestellt wird. wird. Der Gate-Source-Eingangskreis ist durch eine Reihenschaltung der Sperrschichtkapazität c gs und dem Der Gate-source-Eingangskreis ist durch eine Reihenschaltung der Widerstand Sperrschichtkapazität im Kanalbereich r gs gegeben. c gs und Zusätzlich dem ergeben Widerstand sich Kapazitäten im Kanalbereich zwischen Gater und qs Drain gegeben. sowie DrainZusätzlich und Source. Die ergeben Steuerungsich des Drainstromes Kapazitäten durch zwischen die Gate-Source-Spannung und Drain sowie Drain und Source. Die Steuerung des Drainstromes durch die Gate-Source-Spannung wird durch die Steilheit S beschrieben, wobei die eigentliche Steuerung durch die Spannung an der Sperrschicht und damit durch erfolgt. Wenn man in Bild loben einen parabolischen TU Zusammenhang Berlin Prof. Dr.-Ing. zwischen K. Petermann U GS und 1 0 voraussetzt, ergibt sich für die steilheit:

4 Der Gate-source-Eingangskreis ist durch eine Reihenschaltung der Sperrschichtkapazität c gs und dem Widerstand im Kanalbereich r qs gegeben. Zusätzlich ergeben sich Kapazitäten zwischen Gate und Drain sowie Drain und Source. Die Steuerung des Drainstromes durch Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren die Gate-Source-Spannung wird durch die Steilheit S beschrieben, FET/4 wobei die eigentliche Steuerung durch die Spannung an der Sperrschicht und damit durch erfolgt. Wenn man in Bild loben wird durch einen dieparabolischen Steilheit S beschrieben, Zusammenhang wobei die eigentliche zwischen Steuerung U GS und durch 1 0 die voraussetzt, Spannung an der ergibt sich für die steilheit: Sperrschicht und damit durch U 1 erfolgt. Wenn man in Abb. 1 einen parabolischen Zusammenhang zwischen U GS und 2 S - I D.j'----- voraussetzt, ergibt sich für die Steilheit (1) IUsl I DSS 1 0 I S 2 I DSS I D (1) mit der Schwellenspannung US' ju S jdem Drain-Gleichstrom 1 0 und dem Drain-Sättigungsstrom (für U mit der Schwellenspannung U S, dem Drain-Gleichstrom GS 0) I I D und DSS Feldeffekttransistoren besitzen im allgemeinen kleinere Steilheiten dem Drain-Sättigungsstrom als Bipolartransistoren.. Feldeekttransistoren besitzen im Allgemeinen kleinere Steilheiten als Bipolartransistoren. (für U GS 0) I DSS Das Das Kleinsignal-Ersatzschaltbild nach Abb. 4 stellt bereits nach Bild eine recht 4 stellt gute Beschreibung bereits des eine inneren FETs recht dar. Eine gute verbesserte Beschreibung HF-Beschreibung des inneren zeigt Abb. FETs 5. dar. Eine verbesserte HF- Beschreibung ergibt Bild 5: Rn L D ld 0!J.gs!J.ds 5 5 Bild 5: Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines MESFET Abb. 5: Hochfrequenz-Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines MESFETs. Gegenüber Abb. 4 ist in Abb. 5 für den inneren FET noch berücksichtigt, dass die Stromsteuerung eine Verzögerung 0 aufweist. Bei genügend hohen Feldern im Kanal besitzen die Ladungsträger die Sättigungsdriftgeschwindigkeit v s, so dass gemäÿ 0 l l 5 ps v s m in n-gaas (2) gegeben ist. Zusätzlich beinhaltet Abb. 5 die Serienwiderstände R G, R S und R D auf Grund von Widerständen im Halbleiter oder in den Kontakten. Die Induktivitäten L G, L D und L S berücksichtigen die Zuleitungsinduktivitäten der Bonddränte. Bei guter HF-Aufbautechnik lassen sich L G L D 0; 3 nh und L S 0; 05 nh erreichen, wobei insbesondere ein kleines L S wichtig ist, um die Gegenkopplung bei hohen Frequenzen gering zu halten. Ein beispielhafter GaAs-MESFET mit einer Gatelänge l 0; 25 m und einer Gateweite t 200 m hat etwa die folgenden Parameter (M. Feng e al., GaAs MESFET: Discrete, Power and MMIC Devices, in M. R. Brozel et al., INSPEC, IEE, 1996): S 47 ms c gs 50 ff r gs 1 R G 6; 8 0 1; 3 ps c gd 29 ff R D 3 r ds 130 R S 1; 4

5 Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren FET/5 4 Grenzfrequenzen 4.1 Transitfrequenz Wie beim Bipolartransistor gibt es auch beim FET eine Transitfrequenz, bei der die Stromverstärkung zu 1 wird. Für die Kurzschluss-Stromverstärkung I d j I Uds 0 gilt bei Vernachlässigung von c gd nach Bild g 4 (bzw. auch näherungsweise nach Bild 5) I d S ; (3)!c gs Uds 0 wobei die Stromverstärkung bei der Transitfrequenz!! T zu Eins wird. mit! T S c gs (4) Beispielsweise ergibt sich für den oben angegebenen Transistor ein f T! T 150 GHz, 2 was einen typischen Wert für GaAs-MESFETs mit einer Gatelänge l 0; 25 m darstellt. Für kürzere Gatelängen lassen sich gemäÿ f T noch höhere Transitfrequenzen erreichen. / l x mit x 1 für kurze Gatelängen Grenzfrequenz der Leistungsverstärkung Bei kleinen Frequenzen erfolgt die Steuerung eines FETs leistungslos, bei höheren Frequenzen jedoch spielt der Leistungsverbrauch z. B. in r gs eine zunehmende Rolle, so dass die erreichbare Leistungsverstärkung mit zunehmender Frequenz abnimmt. Wenn man zunächst vom vereinfachten Ersatzschaltbild (Bild 4) ausgeht und die Rückwirkungskapazität c gd vernachlässigt bzw. kompensiert (erreichbar durch Parallelschalung einer Induktivität zwischen G und D, auch unilateraler oder rückwirkungsfreier Gewinn), ergeben sich die y-parameter: y 11 j!c gs U (5) gs 1 + j!c gs r gs Uds 0 y 21 I d U S U 1 S (6) gs U gs 1 + j!c gs r gs Uds 0 y 22 I d U 1 + j!c ds (7) ds r ds Ugs 0 y 12! U 0 wegen c gd 0 (8) ds Ugs 0 und damit die maximale Leistungsverstärkung G 0 m rückwirkungsfreier Gewinn) ( G 0 m jy j <(y 11 )<(y 22 ) f max f nach Gl. (L 16) (hier eigentlich unilateraler oder ) 2 (9) 1 Für gröÿere Gatelängen ist x 2.

6 2 Hochfrequenztechnik IC1' 4 Feldeekttransistoren FET/6 mit CI) 8 f max S r ds f T r ds, (10) 4c gs r gs 2 r.!!. t GaAs-MESFET gs - C1' so dass f max die Frequenz CI) bezeichnet, bei der die Leistungsverstärkung auf 1 zurückgeht. Bei vollständiger Berücksichtigung des Ersatzschaltbildes nach Bild 5 ergibt sich für f max (L S vernachlässigt, siehe Zinke-Brunswig, Bd. 2): :; \, \ 6 1\ c 2 CI) \ :::J Si - Bi polar- 's!. <:( o ;i- I I - 1 f max ( ) (11) Frequenz [ GHz] 4 R S c gd 0 + c gd S R cgs 2 RG +R Gc gs + S +r gs S r d s HEMTs 5 HEMTs Noch bessere Eigenschaften im GHz-Bereich als GaAs-MESFETs weise HEMTs Noch bessere (high Eigenschaften glectron im GHz-Bereich mobility als GaAs-MESFETs :transistors) weisen auf. HEMTs (high Ein electronmobility transistors) als auf. MODFET Ein HEMT auch (modulation bezeichnet als MODFET goped (modulation-doped FET) oder FET TEGFET ) oder (:two HEMT - auc bezeichnet dimensional TEGFET (two-dimensional glectron electron-gas FET) ) ist - inist Abb. in 6 skizziert. Bild 7 skizziert: 4 6 Elektronen-Energie W,I - a Bild 6: Erreichbare Ausgangsleistungen für Si-FETs, si- Mit den beispielhaften Daten des oben angegebenen ergibt sich f max 135 GHz. Für kürzere Bipolartransistoren und GaAs-MESFETs in Abhängigkeit der GatelängenFrequenz l lässt sich ein (Stand noch höheres 1984, f max erreichen. Zinke-Brunswig, Band 2) I "Lei!ungs- undatiertes Ga As semi - isoiierendes Fermi - N Iveau Y band GaAs -Substrat x b Bild Abb. 7: 6: High High electron-mobility transistor mobility (HEMT) transistor a) prinzipieller Aufbau (HEMT) und b) Verlauf des Leitungsbandes a) unterhalb prinzipielle des Gate-Kontakts. struktur b) Verlauf des Leitungsbandes unterhalb des Gate-Kontaktes Die Funktionsweise eines HEMTs beruht auf der sehr abrupten Heterogrenzäche zwischen den Halb- Die Funktionsweise eines HEMTs beruht auf der sehr abrupte leitern AIGaAs und GaAs. Solche abrupten Grenzächen sind mit modernen Epitaxieverfahren, z. B. Heterogrenzfläche zwischen den Halbleitern AIGaAs und GaAs. Solch der MBE (molecular beam epitaxy Molekularstrahlepitaxie) realisierbar. Der Kanal im HEMT bildet sich nur an der Heterogrenzäche zwischen den Halbleitern AIGaAs und GaAs aus, wobei AlGaAs einen höheren Bandabstand als GaAs besitzt und sich so eine Diskontinuität im Verlauf des Leitungsbandes an der AlGaAs-GaAsGrenzäche (vgl. Abb. 6b) herausbildet. Unmittelbar an der Grenzäche bildet sich so ein Graben im Leitungsbandverlauf (Abb. 6b) aus, wobei die Zustände unterhalb des Fermi-Niveaus im wesentlichen mit Elektronen gefüllt sind. Es entsteht so der sehr schmale (einige nm breit) Kanal. Auf Grund der sehr geringen Grabenweite in x-richtung kann sich im quantenmechanischen Sinne bezüglich der x-richtung (Abb. 6b) im Wesentlichen nur ein

7 Hochfrequenztechnik I Feldeekttransistoren FET/7 Elektronenzustand ausbilden, so dass man statt des normalerweise drei-dimensionalen Elektronengases nur ein zwei-dimensionales Elektronengas im Kanal erhält. Dieses zwei-dimensionale Elektronengas zeichnet sich durch hohe Beweglichkeit und hohe Sättigungsdriftgeschwindigkeiten aus. Die sich ergebende Transitfrequenz f T ist beim HEMT ungefähr doppelt so groÿ wie beim GaAs- MESFET gleicher Gatelänge. Es werden auch sehr hohe Grenzfrequenzen f max für die Leistungsverstärkung erzielt. Mit speziellen HEMT-Strukturen sind für eine Gatelänge l 0; 25 m Werte von f max 350 GHz erzielt worden.