Зависимость параметров от размеров элементов.

На рис. 7 для ряда приборов, изображенных на рис. 6, по­казана зависимость некоторых важных рабочих характеристик от соответствующих критических параметров или размеров электрода. Предельная рабочая частота СВЧ полевого транзистора (см. рис. 6, а) ограничивается временем переноса носителей между истоком и стоком, а также определенными паразитными сопротив­лениями и емкостями прибора.

В приборах с малой длиной затвора электрическое поле должно быть достаточно сильным для того, что­бы скорость носителей (у₈) достигала уровня насыщения и макси­мальная предельная частота определялась выражением /тах = = v_sjnL [60]. Буква L на рис. 7 представляет критическую дли­ну для каждого типа прибора и в случае полевого транзистора L является длиной канала. Зависимость f_max от L показана на рис. 7 двумя верхними линиями, соответствующими скорости носителей в пике зависимости v_s от уровня легирования для арсенида галлия и уровню насыщения поля для арсенида галлия и кремния. Из этих теоретических кривых (при расчетах не учитывались паразитные эффекты) видно, что при длине затвора менее 0,7 мкм можно до­стичь предельной частоты свыше 100 ГГц

Ряд точек взят из работ [2—4, 34, 43]; ромбами показаны СВЧ полевые транзисторы на арсениде галлия и перевернутыми треугольниками — СВЧ полевые транзисторы на кремнии. На ординате показана максимальная или предельная частота, обычно определяемая путем экстраполяции данных по максимальному коэффициенту усиления.

Все приборы изготовлены методом фотолитографии. Наименьшая длина затвора (0,5 мкм) получена с помощью особой методики, позволившей при­близить возможности ФЛ к теоретическим пределам. По тому, как с уменьшением L возрастает отклонение точек от линий времени пролета носителей, видно, что паразитные эффекты также являют­ся существенными факторами, определяющими характеристики прибора при малых размерах.

Основное ограничение предельной частоты для линий задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) определяется до­стижимыми размерами промежутка между электродами, образу­ющими встречно-гребенчатую структуру преобразователя (см. рис. 6, б).

В основной моде (π) рабочая частота преобразователя f = v/p, где v — скорость ПАВ и р — шаг структуры (р = А,— длине волны на кристалле). В простом случае p=4L, где L — ширина электрода и ширина зазора; f=v/4L (это соотношение дано на рис. 7 для скоростей волн, характерных для ниобата лития). Показанные рядом с этой линией точки представляют фильтр со сжатием импульса, имеющий 650 электродов шириной 0,5 мкм и изготовленный с применением серийной ЭЛУ [67], линию задерж­ки с рабочей частотой 2,5 ГГц [42], преобразователи с рабочими частотами 3,5 |[42] и 4,1 ГГц [70]. Точки отклоняются от прямой, поскольку ширина электродов фактически была меньше 1/4 длины волны сигнала.

Уменьшение потребляемой мощности и времени задержки для транзисторов и НС с меньшими размерами представлено на рис. 8. Здесь L — критический размер, т. е. длина затвора ПТ и минимальный размер элемента в И²Л-схеме. Три ромба соответст­вуют задержке распространения сигнала на одну ступень в кольце­вых осцилляторах, выполненных на 11 кремниевых ПТ с изолиро­ванными затворами с различной длиной, сформированными мето­дом ЭЛЛ [23]. С применением электронно-лучевой литографии сформированы также кремниевые ПТ с барьером Шоттки (для логи­ческих схем НЕ—И с задержкой распространения 100 нс [50,51]).

Эти приборы характеризуются значением произведения мощности на задержку 0,1 пДж. Сплошная кривая, обозначенная КМОП/КНС, представляет время задержки на одну ступень для последовательно включенных кольцевых осцилляторов с различной длиной затвора, изготовленных с помощью рентгенолитографии [57]. Незачерненные кружки характеризуют КМОП/КНС-кольцевые осцилляторы; штриховая линия относится к приборам, изготовленным фотолито­графией [35] и отличающимся длиной затвора в 2 раза; отдельный кружок относится к прибору, изготовленному с применением ЭЛЛ [46]; зачерненные квадраты характеризуют кремниевые ПТ с барьером Шоттки [17]. Двумя отдельными крестами обозначены И^{1 2 *}Л-схемы, выполненные с применением ЭЛЛ и ФЛ [20]. Кресты на штриховой линии представляют кольцевые осцилляторы на ПТ с барьером Шотки, имеющих длину затвора 1,0 и 0,5 мкм, изготов­ленные с применением ЭЛЛ [27]; произведение мощности на за­держку для этих приборов равно 1,4 пДж. Следует отметить, что наклон линий на рис. 8 близок к Lr^x.

Коэффициент шума ПТ в первом приближении обратно пропор­ционален предельной частоте, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна L., следовательно, шумы убывают с уменьшением длины затвора [52]. Этот эффект проверен экспериментально. Ниж­ний график на рис. 8 характеризует коэффициент шума СВЧ GaAs-полевых транзисторов с барьером Шоттки на частоте 8 ГГц [13]. Полевой транзистор на арсениде галлия с длиной затвора 5 мкм наилучшим образом применим для входных цепей малошумящего СВЧ приемника, а по коэффициенту шума уступает только более сложному параметрическому усилителю.

Как показано на рис. 6, в, электронно-лучевая литография пригодна для формирования элементов интегральной оптики — световодов и пассивных элементов (направленных ответвителей, гибридных структур и т. д.). Электронно-лучевое экспонирование резиста позволяет создавать на подложке узкие линии с неров­ностью края менее 50 нм — лучше, чем с применением других спо­собов.

В приборах с зарядовой связью (см. рис. 6, в) малый зазор между электродами обеспечивает малые потери при переносе заря­да, а рабочая частота прибора повышается с уменьшением ширины электродов. Можно показать, что максимальная рабочая частота изменяется приблизительно пропорционально 1/L² (L— ширина электродов). Тактовая частота зависит от площади структуры прибора, следовательно, произведение мощности на задержку уменьшается приблизительно в L ⁴ раз (при условии уменьшения размеров только в плане). Помимо перечисленных приборов умень­шение размеров элементов позволяет также улучшить характерис­тики биполярных транзисторов, приборов на сверхпроводящих пере­ходах Джозефсона, схем И²Л и т. д.