Das Ausgangskennlinienfeld eines FET zeigt den Drainstrom als Funktion der Drainspannung bei verschiedenen Gatespannungen. Bei kleinen Drainspannungen steigt der Drainstrom linear an (Ohmscher Bereich, Anlaufgebiet). In diesem Bereich setzt sich der Ausgangswiderstand (Ri = dVDS/dIDS) aus den Kontaktwiderständen und dem Kanalwiderstand zusammen. Bei höheren Drainspannungen werden Elektronen aus dem Kanal in die darüberliegende Schicht injiziert. Dabei reduziert sich ihre Beweglichkeit erheblich und führt zur Abnahme der Gesamtleitfähigkeit. Dieser Vorgang wird 'real space transfer' [53, 62, 98] genannt. Dieser Effekt trägt neben der Sättigung der Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger im Kanal zum Sättigungsverhalten des Drainstroms mit bei. Abbildung 6.4 zeigt das typische Ausgangskennlinienfeld eines LN-16. Die zugehörige Transferkennlinie und die Steilheit werden in Abbildung 6.5 dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, daß der LN-16 nur sehr schwer vollständig gesperrt werden kann. Die Transferkennlinie ist bei negativen Gatespannungen sehr flach und geht nur langsam gegen Null.
Abbildung 6.4: Ausgangskennlinienfeld des LN-16. Parameter ist die Gatespannung: von VGS = -0.75 V bis VGS = +1.00 V, Schrittweite: VGS = 0.25 V.
Abbildung 6.5: Transferkennlinie und Steilheit des LN-16.
Ursache ist die energetisch relativ kleine Heterobarriere zwischen Kanal und GaAs-Buffer, die leicht von Ladungsträgern überwunden werden kann und zu einem Bufferstrom führt. Dieses Verhalten drückt sich auch in der Steilheit aus, die mit abnehmender Gatespannung nur langsam kleiner wird. Nach Überschreiten des Maximums nimmt die Steilheit bei steigender Gatespannung monoton ab. Die Transferkennlinie zeigt in diesem Bereich ein Sättigungsverhalten, das sich bereits durch die Kompression der Kennlinien im oberen Bereich des Ausgangskennlinienfeldes andeutet. Die Sättigung der Transferkennlinie hat zwei Gründe. Zum einen öffnet sich bei hohen Gatespannungen ein parasitärer Kanal in der Supplyschicht (s.a. Kapitel 2). Da die Beweglichkeit der Ladungsträger im dotierten AlxGa1-xAs sehr gering ist, führt ein zunehmender Anteil von Ladungsträgern im parasitären Kanal zu einem schwächeren Anstieg des Drainstroms. Zum zweiten werden bei Erhöhung der Gatespannung auch immer mehr ionisierte Donatoren unter dem Gate durch Elektroneneinfang neutralisiert. Auch dieser Effekt führt zu einer Verminderung des Anstiegs des Drainstroms. Der Effekt ist umso gravierender, je höher der Anteil an tiefen Donatoren ist.
Mit Drainspannungen von maximal VDS = 5 V und einem Sättigungsstrom von ca. = 450 mA/mm erreicht dieser einfache DH-HFET recht beachtliche Werte. Auch die maximale Steilheit von = 325 mS/mm ist für einen rauscharmen Verstärker durchaus gut. Negativ ist nur das Sperrverhalten und die Sättigung des Drainstroms bei höheren Gatespannungen zu beurteilen.
In dieser Hinsicht wurde der LN-19 wesentlich besser konzipiert. Der LN-19 zeigt aufgrund der höheren Barriere zwischen Kanal und AlxGa1-xAs-Buffer ein sehr gutes Sperrverhalten (Abb. 6.6). Diese Beobachtung wird durch die Transferkennlinie (Abb. 6.7) bestätigt. Der Drainstrom geht für VGS -0.6 V gegen Null. Die maximale Steilheit ist mit = 553 mS/mm wesentlich größer als beim LN-16. Hier wirkt sich auch die geringere Gatelänge des LN-19 gegenüber dem LN-16 aus. Auch bei höheren Drainspannungen deutet sich ein verbessertes Verhalten an. Bereits das Ausgangskennlinienfeld zeigt eine geringere Kompression der Kennlinien. Die Sättigung des Drainstroms ist beim LN-19 nicht mehr so ausgeprägt und die Steilheit nimmt bei hohen Gatespannungen nur langsam ab.
Abbildung 6.6: Ausgangskennlinienfeld des LN-19. Parameter ist die Gatespannung: von VGS = -0.6 V bis VGS = +0.6 V, Schrittweite: VGS = 0.2 V.
Abbildung 6.7: Transferkennlinie und Steilheit des LN-19.
Aufgrund des kleineren Gate-Kanal Abstands bleibt das Ladungskontrollverhalten bei diesem Bauelement auch bis zu hohen Gatespannungen sehr effektiv. Die bis auf die d-Dotierung undotierte Schicht unter dem Gate reduziert außerdem die Bildung von DX-Zentren. Einziger Nachteil des LN-19 ist, daß aufgrund der Rückseitendotierung unterhalb des Kanals tiefe Störstellen auftreten können, die bei hohen Drainspannungen ionisiert werden und einen Beitrag zum Drainstrom liefern können. Dies macht sich durch den Anstieg der Ausgangskennlinien bei VDS 2.5 V bemerkbar. Die hohe Steilheit führt bei diesem Bauelement leider zu einem sehr frühen Durchbruch. Dadurch ist der LN-19 nicht als Leistungsbauelement verwendbar.
Der als Leistungsbauelement konzipierte DH-HFET P-01 ist dagegen bis VDS = 10 V ohne Probleme aussteuerbar (Abb. 6.8). Bei einem mittleren Arbeitspunkt von VDS = 5 V und IDS = 200 mA/mm sind Leistungen von 1 W/mm für den P-01 kein Problem. Bei hohen Gatespannungen (VGS 0.8 V) zeigt sich allerdings in dem negativen Ausgangsleitwert bereits die beginnende Erwärmung des Bauelements. Für VDS 3 V ist beim P-01 eine Zunahme des Drainstroms zu erkennen. Die Ursache ist vermutlich die Generation von Ladungsträgern im Bereich der Rückseitendotierung aus tiefen Störstellen heraus.
Die Transfercharakteristik des P-01 zeigt nur im Ansatz ein Sättigungsverhalten bei hohen Gatespannungen (Abb. 6.9). Außerdem zeigt der P-01 aufgrund der hohen Barriere zwischen Kanal und AlxGa1-xAs-Buffer dasselbe gute Sperrverhalten, wie der LN-19. Die hohe Durchbruchspannung ist aus den lateralen Abmessungen des P-01 heraus zu erklären. Aufgrund des vergrößerten Gate-Drain Abstands ändert sich das Potential zwischen Gate und Drain nur relativ langsam [30]. Dadurch werden hohe Feldstärken vermieden und die Ladungsträger nach Passieren der Gateregion nicht so stark beschleunigt. Damit sinkt die Gefahr von Stoßionisation und AVALANCHE-Durchbruch. Als Resultat kann der P-01 bis ca. VDS = 10 V betrieben werden. Außerdem ist die Vergrößerung des Gate-Drain Abstandes relativ zur Gatelänge auch mit dafür verantwortlich, daß die Steilheit bei hohen Gatespannungen erhalten bleibt.
Abbildung 6.8: Ausgangskennlinienfeld des P-01. Parameter ist die Gatespannung: von VGS = -1.0 V bis VGS = +1.0 V, Schrittweite: VGS = 0.2 V.
Abbildung 6.9: Transferkennlinie und Steilheit des P-01.