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Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor (FET) mit einem injektionsbegrenzenden Source-Kontakt, der "heisse" und daher schnelle Elektronen injiziert ("Hot Electron Injection Field Effect Transistor"oder HEIFET").
Für digitale und analoge Halbleiterschaltungen werden heute bipolare und Feldeffekt-Tran- sistoren verwendet, an die eine Vielzahl Anforderungen gestellt werden. Die 3 wesentlichsten Merkmale sind die Verstärkung (Spannung, Strom, Leistung), die Grenzfrequenz, bis zu der Verstärkung auftritt, und der Wirkungsgrad (Verhältnis der bei einer Frequenz verstärkten Leistung zur im Transistor verbrauchten Gleichstromleistung). Verstärkung, Wirkungsgrad und Grenzfrequenz sind voneinander nicht unabhängig. Verstärkung und Wirkungsgrad nehmen mit zunehmender Frequenz und zwar mit dem Quadrat der Frequenz ab. Von den heute verwendeten
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Silizium-MOS-TransistorenAlGaAs, InP, InGaAs, etc. die höchsten Grenzfrequenzen (100 Gigahertz und darüber) erzielt werden [Siehe Handbook on Semiconductors, Vol. 4, edited by C.
Hilsum, North-Holland, 1993, p. 500-501, ISBN 0 444-88813-6].
Im Frequenzbereich 10 - 150 GHz werden neben Transistoren auch spezielle Halbleiterdioden wie die Gunn-Diode (auch Transferred Electron Device genannt) und die Lawinenlaufzeitdiode (auch IMPATT-Diode genannt) verwendet. Bis auf die planare Gunn-Diode mit injektionsbegrenzendem Kathodenkontakt (auch FECTED oder Field Effect Controlled Transferred Electron Device genannt) [Siehe US Patent No. 3, 740, 666 und Handbook on Semiconductors, Vol. 4, North Holland, 1993, p. 500-501, ISBN 0444 88813-6], eignen sich Gunn-und IMPATT-Dioden nicht oder nur sehr schlecht für monolithische Integration, weshalb für Integrierte Millimeterweiten- Schaltungen oberhalb 10 GHz heute nur noch Transistoren und der FECTED verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, nimmt die Leistungsfähigkeit der Transistoren mit steigender Frequenz ab, da die Laufzeit der Elektronen durch den Transistor höchstens so gross wie die halbe Periodendauer der zu verstärkenden Wechselspannung sein darf ("Laufzeitbedingung"). Während beim Bipolartransistor die Elektronen die Emitter-Basis-Diode und die Basis-Kollektordiode durchlaufen müssen, ist beim Feldeffekt-Transistor die zu durchlaufende kritische Dimension nur der von der Steuerelektrode ("Gate") bedeckte Kanalbereich, den man mit den heute bekannten modernen Lithographieverfahren bereits in der Grössenordnung von 0, 1 Mikrometer (=100 Nanometer) realisieren kann. Die Herstellungskosten derart kleiner Strukturen sind jedoch extrem hoch.
Die im Bipolartransistor von den Elektronen zu durchquerenden Dioden weisen zwar die selbe Länge wie der Gatebereich des Feldeffekt-Transistors auf, die Laufzeit ist jedoch grösser und damit die Grenzfrequenz kleiner, weil die Elektronen insbesondere im Emitter-Basis-Bereich nur langsam driften ("diffundieren"). Diese "Diffusionskapazität" ist der Grund, warum der bipolare Transistor dem Feldeffekttransistor hinsichtlich Grenzfrequenz unterlegen ist. Tatsächlich wurden mit HeteroFeldeffekt-Transistoren bei höheren Frequenzen höhere Leistungen erzielt als mit dem Bipolartransistor.
Obwohl die Laufzeit der Elektronen im FECTED nicht begrenzend wirkt (der negative differen- tielle Widerstand ist das Resultat der Elektronenstreuung zwischen Leitungsbandminima), wird bei hohen Frequenzen ebenfalls ein Leistungsabfall (geringer Wirkungsgrad) gemessen, der aber nicht auf zu grosse Laufzeit, sondern auf den geringeren Unterschied der Elektronengeschwindigkeiten im Zentralleitungsband und in den energetisch höher liegenden Leitungsbandminima zurückzuführen ist. Dieser als "peak to valley ratio" bezeichnete Parameter ist bei tiefen Frequenzen etwa 50%, er sinkt mit steigender Frequenz.
Dieser geringe Stromhub führt auch schon bei tieferen Frequenzen zu geringeren Wirkungsgraden als die mit Transistoren erzielbaren, da bei Transistoren prinzipiell ein Stromhub von 100% erreichbar ist, da der Strom im Kollektor bzw. im Drain über die Steuerelektrode auf Null abgesenkt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Massnahme anzugeben, die die Geschwindigkeit der aus dem Source-Kontakt in den Kanal des Feldeffekt-Transistors injizierten Elektronen stark erhöht und damit die Laufzeit durch den Transistorkanal stark verkürzt und somit die Grenzfrequenz (=Transitfrequenz) wesentlich erhöht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im hochdotierten Source-Kontakt, aus dem die
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Elektronen wegen der geringen Feldstärke normalerweise mit geringer Geschwindigkeit austreten, eine zusätzliche Beschleunigungszone in Form einer überlappenden, durch eine dünne Isolierschicht vom Source-Kontakt galvanisch getrennte Elektrode (. Schottky-Kontakt") angeordnet ist.
Dieses mit Gleichspannung vorgespannte, wechseistrommässig aber wegen der Überlappungskapazität auf Source-Potential liegende Schottky-Gate erzeugt "heisse" und damit schnelle Elektronen, die mit Sättigungsgeschwindigkeit in den mit dem normalen Steuer-Gate versehenen Kanal des Feldeffekt-Transistors injiziert werden. In diesem der Erfindung zugrunde liegenden neuen Feldeffekttransistor ist somit der ohmsche Source-Kontakt durch einen an sich bekannten injektionsbegrenzenden Kontakt ersetzt worden, wie er zum Beispiel auch Im "FECTED", das ist eine planare Gunn-Diode mit injektionsbegrenzendem Kathodenkontakt, verwendet wird.
Der mit der Erfindung erzielte Hauptvorteil liegt, wie bereits dargelegt, in der wesentlich verbesserten Grenzfrequenz (Transitfrequenz) des Feldeffekt-Transistors. Die im Kanalbereich liegende, für die Steuerung des Feldeffekt-Transistors zuständige Gate-Elektrode kann daher grössere Dimension aufweisen als die in einen herkömmlichen Feldeffekt-Transistor für dieselbe Betriebsfrequenz notwendige Gate-Elektrode, da im neuen Transistor die Elektronen den gesamten Gatebereich mit höherer Geschwindigkeit durchlaufen Die Anforderungen an die Technologie sind also bei gleicher Betriebsfrequenz beim neuen Transistor viel geringer.
Wird als Halbleitermaterial ein Material, in dem der Transferred Electron Effect (Gunn-Effekt) auftritt, verwendet (z. B. GaAs, InP), so kann dieser Effekt im neuen Feldeffekttransistor zusätzlich für Verstärkung mitbenützt werden. Man kann nämlich das der Erfindung zugrunde liegende neue Bauelement auch als FECTED mit zusätzlicher Feldeffekt-Steuerelektrode ansehen, da der FECTED eine injektionsbegrenzende Kathode besitzt, die in die Gunn-Effekt-Driftzone heisse Elektronen injiziert [Siehe K. Lübke, H. Scheiber and H.
Thim, Microwave and Guided Wave Letters, vol.1, No.2, Feb. 1991, pp. 35-37]. Bei dieser Betrachtungsweise führt die zusätzliche Steuerelektrode in der Gunn-Effekt-Driftzone zu einer "effektiven" Erhöhung des vom Gunn-Effekt herrührenden Peak to Valley Ratio, wodurch der Wirkungsgrad des FECTED erhöht wird. Die Steuerelektrode muss jedoch phasenrichtig angesteuert werden, das heisst, die Gate-SourceWechselspannung muss gegenüber der Drain-Source-Wechselspannung um etwa 180 phasenverschoben sein. Das erreicht man zum Beispiel dadurch, dass der FET-Teil des modifizierten FECTED in Gate-Grundschaltung betrieben wird.
Die Erfindung wird anhand dreier Figuren näher erläutert.
Es zeigen beispielhaft :
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in Siliziumtechnologie (Schnitt und zugehörige elektrische Schaltung zur Verstärkung von hochfrequenten Signalen).
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel in Gallium-Arsenid-Technologie (Schnitt und zugehörige elektrische Schaltung zur Verstärkung von hochfrequenten Signalen).
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel in Gallium-Arsenid-Technologie (Schnitt und Oszillator-Schal- tung).
Bei der beispielhaften Schaltungsanordnung nach Fig. 1 befindet sich auf dem Grundkörper 1 aus undotiertem oder schwach P-dotiertem Silizium eine etwa 0. 1-1 11m dünne, N-dotierte SiliziumSchicht 2 und darüber der ohmsche Source-Kontakt 3, der möglichst dünne Isolierkörper 4, der mit Gleichspannung vorgespannte Schottky-Kontakt 5, die als Schottky-Kontakt ausgeführte Steuer- elektrode (. Schottky-Gate") 7 und der Drain-Kontakt 8, der als ohmscher Kontakt oder als Schottky-Kontakt ausgeführt werden kann.
Die Steuerelektrode 7 ist durch die etwa 1 11m dünne Isolierschicht 6 vom Schottky-Kontakt 5 und Drain-Kontakt 8 elektrisch Isoliert und mit Massepotential ("Erde") elektrisch verbunden ("Gate-Schaltung"). Der ohmsche Source-Kontakt 3 ist über eine möglichst grosse Induktivität (Ls) 9 an die Source-Batterie (Us) 10 und an den Schottky-
Kontakt 5 über eine möglichst grosse Induktivität (L,) 11 an die Batterie (U1) 12 angeschlossen. Der
Drain-Kontakt 8 ist über eine möglichst grosse Induktivität (bd) 13 an die Drain-Batterie (us) 14 angeschlossen. In das Klemmenpaar 15 wird die zu verstärkende Eingangswechselleistung PE eingespeist, die verstärkte Ausgangswechselleistung PA wird am Klemmenpaar 16 ausgekoppelt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem in
Fig. 1 dargestellten nur durch die Verwendung von III-V-Verbindungshalbleitermaterial. In dieser
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Source-Kontakt 23 einlegiert. Darüber ist weiters eine etwa 0, 5 m dünne Isolierschicht 24 aufgebracht, die den Schottky-Kontakt 25 vom Source-Kontakt 23 gleichstrommässig trennt. In eine darüber aufgebrachte etwa 0, 5 m dünne) sotierschicht 26 ist mittels Lithographie eine Öffnung geätzt und darüber die Steuerelektrode 27 aufgebracht. Der Drain-Kontakt 28 ist über eine möglichst grosse Induktivität (LD) 33 an die Drain-Batterie (us) 34 angeschlossen.
Der SourceKontakt 23 liegt über die möglichst grosse Induktivität (Ls) 29 an der Source-Batterie (Us) 30 und der Schottky-Kontakt 25 liegt über eine möglichst grosse Induktivität (L,) 31 an der SchottkyKontakt-Spannungsversorgung (U1) 32 Die zu verstärkende Signalleitung PE wird an den Eingangsklemmen 35 eingespeist. Das verstärkte Ausgangssignal PA wird an den Ausgangsklemmen 36 ausgekoppelt.
Eine weitere Anwendung des neuen Bauelementes als Oszillator (Schwingungserzeugung) ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 2 beschriebenen Beispiel nur durch die äussere Beschaltung, die so dimensioniert sein muss, dass die Schwingbedingungen erfüllt sind. Diese lauten :
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In Glg. (1) bedeuten f die Oszillatorfrequenz, L die an den Drain-Kontakt angeschlossene Induktivität, RL der Lastwiderstand, an den die Schwingungsleistung abgegeben wird, Cos. Cos und CGs die 3 an den Kontakten Drain, Source und Gate auftretenden Kapazitäten des Feldeffekttransistors, denen zur Erzeugung der gewünschten Schwingfrequenz weitere externe Kondensatoren zugeschaltet werden können, und S die Steilheit des Feldeffekt-Transistors im Arbeitspunkt.
In dieser Ausführungsform ist auf dem semi-isolierenden Gallium-Arsenid-Substrat 41 eine N-dotierte GaAs-Schicht 42 aufgebracht, darüber der ohmsche Source-Kontakt 43, eine dünne Isolatorschicht 44 und darüber der Schottky-Kontakt 45 aufgebracht. Auf der N-dotierten GaAsSchicht 42 befindet sich weiters der metallische Drainkontakt 48, der als ohmscher oder als Schottky-Kontakt ausgeführt sein kann. Die als Schottky-Kontakt ausgeführte Steuer-GateElektrode 47 ist vom Schottky-Kontakt 45 und vom Drain-Kontakt 48 durch eine dünne Isolierschicht 46 getrennt.
Der ohmsche Source-Kontakt 43 ist über die möglichst grosse Induktivität (Ls) 49 gleichstrommässig mit der Source-Batterie (Us) 50 verbunden, der Schottky-Kontakt 45 erhält seine Gleichspannung (nul) 52 über die möglichst grosse Induktivität (lui) 51 und liegt wechselstrommässig über die möglichst grosse Kapazität (CE) 59 am Lastwiderstand (Rd 60. Der Drain-Kontakt 48 liegt über die möglichst grosse Induktivität (LD) 53 an der Drain-Batterie (UD) 54 und über die möglichst grosse Kapazität (CA) 55 an der frequenz-bestimmenden Induktivität (L) 61.
Die 3 intrinsischen Transistor-Kapazitäten 56 (CDG), 57 (CGS) und 58 (Cos) sind in dieser Zeichnung nur symbolisch angeführt und wurden in den beiden vorher beschriebenen Ausführungsformen in Fig. 1 und Fig. 2 nicht extra erwähnt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Feldeffekt- Transistor für Verstärkung und Schwingungserzeugung im Hochfrequenz- bereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Source-Kontakt als an sich bekannter injektionsbegrenzender Kontakt ausgeführt ist, der aus einem ohmschen Kontakt (3,23,
43) und einem darüber liegenden, gleichstrommässig durch ein dünnes Oxid (4,24, 44) isolierten, überlappenden Schottky-Kontakt (5,25, 45) besteht, der mit einer Gleich- spannung (12,32, 52) negativ vorgespannt ist, so dass infolge der darunterliegenden hohen elektrischen Feldstärke die in den Steuerbereich (7,27, 47) injizierten Elektronen eine hohe Driftgeschwindigkeit (Sättigungsgeschwindigkeit) aufweisen ("Hot Electron
Injection").