FET

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).
Ei-
ne 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
enhancement type, ID
selbstsperrenden (
für
= 0 für UGS = 0) und selbstleitenden (depletion type, ID 6= 0
UGS = 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/VHalbleiters 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.
TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann
Hochfrequenztechnik I
Feldeekttransistoren
FET/2
Hochfrequenztechnik I
FET/2
Si-JFETs
und GaAs-MESFETs
1.1 VergleichVergleich
zwischenzwischen
Si-JFETs
und GaAs-MESFETs
In Bild 2 ist der prinzipielle Aufbau eines MESFETs einem JFET
In Abb. 2 ist dergegenübergestellt.
prinzipielle Aufbau eines MESFETs einem JFET gegenübergestellt.
Metallelektroden
S / \ G \
0
o
G
Ka"nal
semi - isolierendes GaAs
a
Ka~nal
-=-
b
Bild 2: a) schematischer Aufbau eines n-Kanal GaAs MESFETs
Abb. 2: Schematischer
eines a) Aufbau
n-Kanal-GaAs-MESFETs
b) n-Kanal-Si-JFETs.
b) Aufbau
schematischer
eines n-Kanal si und
JFETs
Sowohl beim JFET als auch beim MESFET wird durch ein an der Gate-
G
Elektrode
G anliegendes
elektrisches
der
zwischenanliegendes
Sowohl beim JFET
als auch
beim MESFET
wird durch Feld
ein an
derKanalstrom
Gate-Elektrode
dem Drain-(D) und dem Source-(S) Kontakt gesteuert. Der Kanal kann
entweder
n-dem
oder
p-dotiert
wegen der
höheren gesteuert.
elektrisches Feldprinzipiell
der Kanalstrom
zwischen
Drain( ) undsein;
dem Source( ) Kontakt
Beweglichkeit und der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeit von
Der Kanal kann Elektronen
prinzipiell entweder
n-oder p-dotiert
sein; wegen
der höheren
und der
im Vergleich
zu Löchern
besitzen
n-Kanal Beweglichkeit
FETs die
besseren Hochfrequenzeigenschaften. Die folgenden Betrachtungen
höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeit
Elektronen
Vergleich
beziehen sich deshalb von
vorwiegend
auf im
n-Kanal
FETs.zu Löchern besitzen n-Kanal-
D
S
FETs die besseren
Betrachtungen
beziehenein
sich deshalb
Im Hochfrequenzeigenschaften.
Vergleich zwischen Si-JFETDie
undfolgenden
GaAs-MESFET
besitzt wiederum
GaAs-MESFET die besseren HF-Eigenschaften wegen
vorwiegend auf n-Kanal FETs.
1) der höheren
Elek~ronenbeweglichkeit (bei
kleinen
Fel~stärken
Im Vergleich zwischen Si-JFET
GaAs-MESFET
wiederum
ist ~n ~und
1500
cm /(Vs) bei besitzt
si gegenüber
~nein
~ GaAs-MESFET
8000 cm /(Vs) die besseren
bei GaAs).
HF-Eigenschaften wegen
ˆ
ˆ
ˆ
2) der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeiten V s der
Elektronen (v s ~ 100
~m/ns
beiFeldstärken
si und V s ist
~ 200
der höheren Elektronenbeweglichkeit
(bei
kleinen
n ~m/ns
GaAs)
2
cm
bei GaAs).
n
8000
1500bei
2
cm
Vs
bei Si, jedoch
Vs
3) der Möglichkeit, in GaAs ein semi-isolierendes (p~ 10 8 n cm)
Substrat (vergi. Bild 2a) zu realisieren. Deshalb ergeben
m bei Si und
der höheren Sättigungsdriftgeschwindigkeiten
Elektronen
( s
sich beim GaAs-MESFET sehr viel
parasitäre
Kapazis der kleinere
ns
täten als beim Si-JfET.
m
200
v
ns
v
100
vs
bei GaAs)
Trotz der gegenüber si sehr viel komplizierteren GaAs-Technologie
werden deshalb bei sehr hohen Frequenzen GaAs-MESFETs
eingesetzt.
8
der Möglichkeit, in GaAs ein semi-isolierendes (
p
10 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
d
0; 1 : : : 0; 3 ND
10 cm
17
3
) der Dicke
m. Drain- und Source-Anschlüsse sind ohmsche Kontakte, während es sich beim
Gate-Anschluss um einen Schottky-Kontakt handelt. Der Transistor wird mit
UGS < 0 und UDS > 0
betrieben, so dass der Schottky-Kontakt in Sperrrichtung betrieben wird mit der Sperrschichtweite
w (x ) (s. Abb. 3).
Der Drainstrom ID
änderung von UGS
UGS gesteuert, wobei eine Verw (x ) führt. Die Sperrschichtweite
wird durch die negative Gate-Source-Spannung
zu einer Veränderung der Sperrschichtweite
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Hochfrequenztechnik I
Feldeekttransistoren
FET/3
Abb. 3: Prinzipielle Darstellung eines n-Kanal-GaAs-MESFETs.
w (x ) nimmt für UDS > 0 mit zunehmendem x zu, bis sich schlieÿlich bei genügend groÿem UDS 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 ID führt, wobei die Elektronen durch den abgeschnürten Bereich hindurch driften. Für den Fall des abgeschnürten Kanals wird
der Drainstrom nahezu unabhängig von
UDS
und hängt somit fast nur noch von
UGS
ab. Die sich
ergebenden Kennlinien sind schematisch in Abb. 1 eingetragen.
Für
UGS < US (US
Schwellenspannung mit
US <
0)
ieÿt kein Drainstrom, da dann bereits die
w (x = 0) d führt.
Zu einer Abschnürung wie in Abb. 3 und damit zu einem von UDS unabhängigen Drainstrom ID kommt
es dagegen für UDG = UDS
UGS > US . Die (negative) Schwellenspannung US liegt typischerweise
Gate-Source-Spannung allein zu einer Sperrschichtweite
im Bereich von wenigen Volt.
3 Kleinsignalverhalten
Hochfrequenztechnik I
FET/4
Aus Abb. 3 lässt sich bereits ein einfaches Hochfrequenz-Kleinsignal-Ersatzschaltbild ableiten, wie es
in Abb. 4 dargestellt ist.
Ig
Id
Cgd
-0
G~
I
!Jgs
t
5
I
~ 1 , .L. Cgs •
r gs
5·.!:}, ~
Cds
!Jds
t
5
Vereinfachtes Hochfrequenz-Kleinsignal-Ersatzschaltbild
eines FETs.
BildAbb.
4: 4:
Vereinfachtes
Hochfrequenz-Kleinsignal-Ersatzschaltbild
eines FETs
die Zeiger der Kleinsignalgröÿen dar (ähnlich wie beim Bigs , U ds , I g Uund
In Bild 4 Ustellen
s' I d!Io.s
' I , .!(j die Zeiger der Kleinsignalgrößen dar
(ähnlich=gwie
beim ~olartransistor)
bei einem
polartransistor)
bei einem
festen Arbeitspunkt,
der z. B. durch die Gleichspannungen
UDS festen
und UGS
Arbeitspunkt,
der z.B.
durch die Gleichspannungen UGS '
UDS
eingestellt wird.
eingestellt wird.
In Abb. 4 stellen
Der Gate-Source-Eingangskreis ist durch eine Reihenschaltung der Sperrschichtkapazität
cgs
und dem
Der Gate-source-Eingangskreis ist durch eine Reihenschaltung der
Widerstand im Kanalbereich rgs gegeben. Zusätzlich ergeben sich Kapazitäten zwischen Gate und
Sperrschichtkapazität c gs und dem Widerstand im Kanalbereich r qS
gegeben.
ergeben
Kapazitäten
Gate und
Drain
sowie DrainZusätzlich
und Source. Die
Steuerungsich
des Drainstromes
durch zwischen
die Gate-Source-Spannung
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 ~1 erfolgt. Wenn man in Bild loben
einen parabolischen
zwischen
UGS und 1 0 voraussetzt,
TU Zusammenhang
Berlin Prof. Dr.-Ing.
K. Petermann
ergibt sich für die steilheit:
S
=
2
-
.j'--=---
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
FET/4
die Gate-Source-Spannung
wird durch die Steilheit S beschrieben,
wobei die eigentliche Steuerung durch die Spannung an der
Sperrschicht und damit durch ~1 erfolgt. Wenn man in Bild loben
einendieparabolischen
Zusammenhang
zwischenSteuerung
UGS unddurch
1 0 die
voraussetzt,
wird durch
Steilheit S beschrieben,
wobei die eigentliche
Spannung an der
ergibt sich für die steilheit:
Sperrschicht und damit durch
zwischen
U
1
erfolgt. Wenn man in Abb. 1 einen parabolischen Zusammenhang
US GS= - ID .j'--=--voraussetzt, ergibt sich für die Steilheit
DSS 0
2
und
(1)
2 pI I
S=
DSS D
Schwellenspannung US'jUS jdem Drain-Gleichstrom
IUsl
I
1
I
(1)
mit der
1 0 und dem
= 0) I DSS • Feldeffekttransistoren
Drain-Sättigungsstrom (für UGS
mit der
Schwellenspannung
US , dem Drain-Gleichstrom
dem Drain-Sättigungsstrom
(für UGS =
kleinereID und
Steilheiten
als
Bipolarbesitzen
im
allgemeinen
transistoren.
0) IDSS
. Feldeekttransistoren besitzen im Allgemeinen kleinere Steilheiten als Bipolartransistoren.
inneren
Das Kleinsignal-Ersatzschaltbild
nach Abb. 4 stellt bereits
eine recht
gute Beschreibung
Das Kleinsignal-Ersatzschaltbild
nach Bild
4 stellt
bereits des
eine
gute Beschreibung des inneren FETs dar. Eine verbesserte HFFETs recht
dar. Eine verbesserte HF-Beschreibung zeigt Abb. 5.
Beschreibung ergibt Bild 5:
Rn
LD 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
vs , so dass gemäÿ
l
l
= 5 ps vs
m
0
in n-GaAs
(2)
RG , RS und RD auf Grund von Widerständen im Halbleiter oder in den Kontakten. Die Induktivitäten LG , LD und LS berücksichtigen die
Zuleitungsinduktivitäten der Bonddränte. Bei guter HF-Aufbautechnik lassen sich LG LD 0; 3 nH
und LS 0; 05 nH erreichen, wobei insbesondere ein kleines LS wichtig ist, um die Gegenkopplung bei
gegeben ist. Zusätzlich beinhaltet Abb. 5 die Serienwiderstände
hohen Frequenzen gering zu halten.
Ein beispielhafter GaAs-MESFET mit einer Gatelänge
t
l = 0; 25 m und einer Gateweite
= 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 cgs = 50 fF
= 1; 3 ps cgd = 29 fF
0
rgs
rds
= 1
= 130 RG = 6; 8 RD = 3 RS = 1; 4 TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann
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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
Id
I g jU ds =0
gilt bei Vernachlässigung von
cgd
nach Bild
4 (bzw. auch näherungsweise nach Bild 5)
I d
Ig U ds =0
= !cS ;
wobei die Stromverstärkung bei der Transitfrequenz
!T
=
(3)
gs
! = !T
S
cgs
mit
(4)
zu Eins wird.
= !T 150 GHz,
was einen typischen Wert für GaAs-MESFETs mit einer Gatelänge l = 0; 25 m darstellt.
x mit x 1 für kurze Gatelängen 1
Für kürzere Gatelängen lassen sich gemäÿ fT / l
Beispielsweise ergibt sich für den oben angegebenen Transistor ein
fT
2
noch höhere Transitfrequenzen erreichen.
4.2 Grenzfrequenz der Leistungsverstärkung
Bei kleinen Frequenzen erfolgt die Steuerung eines FETs leistungslos, bei höheren Frequenzen jedoch
spielt der Leistungsverbrauch z. B. in
rgs
eine zunehmende Rolle, so dass die erreichbare Leistungsver-
stärkung mit zunehmender Frequenz abnimmt.
Wenn man zunächst vom vereinfachten Ersatzschaltbild (Bild 4) ausgeht und die Rückwirkungskapazität
G
cgd
und
vernachlässigt bzw. kompensiert (erreichbar durch Parallelschalung einer Induktivität zwischen
D, auch unilateraler oder rückwirkungsfreier Gewinn), ergeben sich die y-Parameter:
y
y
11
21
=
I g U gs =
I d U gs y
22
=
y
12
=
U ds =0
gs
= 1 +j!c
j!c r
(5)
S
= SU U = 1 + j!c
gs rgs
gs
(6)
gs gs
1
U
ds
I d U ds U =0
gs
I g U ds =0
U gs =0
= r1 + j!cds
=0
Gm0
und damit die maximale Leistungsverstärkung
rückwirkungsfreier Gewinn)
x
cgd
=0
!
(8)
nach Gl. (L 16) (hier eigentlich unilateraler oder
2
!2
21
11
Für gröÿere Gatelängen ist
wegen
jy j
fmax
m = 4<(y )<(y ) =
f
G0
1
(7)
ds
22
2
.
TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann
(9)
2
:;10 8
~
CI)
~
CI)
mit
so dass
fmax
0
4
2
C1'
:::J
2
1\
~
Feldeekttransistoren
~
18
t
§
~
6
Hochfrequenztechnik IC1'
c
\
\,
fmax
=
s
•
fT
S
rds
4cgs rgs
s
FET/6
.~
rds
rgs
\
,
=2
.!!.
• GaAs-MESFET
Si - Bi polar-
(10)
-
CI)
die Frequenz
bezeichnet, bei der die Leistungsverstärkung
auf 1 zurückgeht. Bei voll.6
fmax (LS vernachlässigt,
's!.;i-tf~fsistoren
I
I
<:(
ständiger Berücksichtigung
des Ersatzschaltbildes nach Bild 5 ergibt sich für
1
siehe Zinke-Brunswig, Bd. 2):
o
10- 1
10-
fmax
2 4
681
21 4
6810
2 46
-
(11)
Frequenz c[gdGHz] cgs RG RS rgs
4 RS cgd + S RG cgs + S
rds
Bild 6: Erreichbare Ausgangsleistungen für Si-FETs, siMit den beispielhaften Daten des oben angegebenen MESFET ergibt sich fmax 135 GHz. Für kürzere
Bipolartransistoren und GaAs-MESFETs in Abhängigkeit der
Gatelängen l lässt sich ein noch höheres fmax erreichen.
Frequenz (Stand 1984, Zinke-Brunswig, Band 2)
r
2
+
0
+
HEMTs
5 HEMTs
Noch bessere Eigenschaften im GHz-Bereich als GaAs-MESFETs weise
Noch bessere Eigenschaften im GHz-Bereich als GaAs-MESFETs weisen HEMTs (high electronHEMTs
(high glectron mobility :transistors) auf. Ein HEMT - auc
mobility transistors)
Ein HEMT auch
bezeichnet als MODFET
) oder
bezeichnet
alsauf. MODFET
(modulation
goped (modulation-doped
FET) oderFET
TEGFET
(:two
dimensional
glectron
gas FET)
- inist
Bild 7 skizziert:
TEGFET (two-dimensional
electron-gas
FET ) ist
Abb. in
6 skizziert.
Elektronen-Energie W
, I
undatiertes Ga As
semi - iso I ierendes
GaAs -Substrat
-
I
~ "Lei!ungsFermi· - N°·Iveau
Y band
x
a
b
Bild
High
electron
mobility
(HEMT)
Abb. 7:
6: High
electron-mobility
transistor
(HEMT) transistor
a) prinzipieller Aufbau
und b) Verlauf des Leia)
prinzipielle
struktur
tungsbandes unterhalb des Gate-Kontakts.
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
kann sich im quantenmechanischen Sinne bezüglich der
x -Richtung
x -Richtung (Abb. 6b) im Wesentlichen nur ein
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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
fT
ist beim HEMT ungefähr doppelt so groÿ wie beim GaAs-
fmax für die LeistungsverGatelänge l = 0; 25 m Werte von
MESFET gleicher Gatelänge. Es werden auch sehr hohe Grenzfrequenzen
stärkung erzielt. Mit speziellen HEMT-Strukturen sind für eine
fmax
350
GHz erzielt worden.
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