Die Wirkungsweise eines MESFET hängt wesentlich von der Steuerbarkeit der Dicke
des leitenden Kanals durch die Gateelektrode ab. Daher kommt der Begrenzung des
Kanals zum Substrat hin entscheidende Bedeutung zu. Dieses Substrat ist fast
ausnahmslos semi-isolierendes GaAs, dessen elektrische Eigenschaften durch die
darin enthaltenen tiefen und flachen Störstellen bestimmt werden. Durch diese
Störstellen werden die Eigenschaften des Übergangs von der aktiven Schicht zum
Substrat hin, und damit die Charakteristik des MESFETstark beeinflußt.
Der Einfluß verschiedener Substrate soll nun durch die Simulation gezeigt
werden. Die am meisten verwendeten Substrate werden nach dem LEC-Verfahren
(`liquid encapsulated Czochralski' [80]) hergestellt. Diese Substrate
enthalten meist eine bedeutende Konzentration von EL2 Störstellen und
Kohlenstoffverunreinigungen (vgl. Kap. 3.3.1). Die Konzentration
der EL2 Störstellen bewegt sich dabei im Bereich von 
, die Konzentration der Verunreinigungen beträgt normalerweise
.
Abbildung 4.1: Struktur des simulierten MESFET
Für die Simulation wurde eine einfache, aber realistische MESFET Struktur
gewählt (Abb. 4.1).
Sie besteht aus einer mit 
konstant
n-dotierten Schicht auf unterschiedlichen Substraten. Die Dicke der aktiven
Schicht beträgt
, das Substrat wird bis zu einer Tiefe von 
in die Rechnung miteinbezogen. Die Gatelänge beträgt 
.
Dieser Transistor ist für
realistische Substrate ein `normally on' Typ. Um den Einfluß der
Konzentration der EL2 Störstellen und der Verunreinigungen mit flachen
Akzeptoren auf die Kennfelder des Bauelements zu zeigen, wurden der MESFET
mit fünf verschiedenen Substraten simuliert. Die Merkmale der Substrate sind in
Tab. 4.2 zusammengefaßt. Die Lage des EL2 Energieniveaus im
verbotenen Band wurde 
unterhalb der Leitungsbandkante angenommen,
die Einfangquerschnitte für Elektronen und Löcher betragen 
und 
[3].
Tabelle 4.2: Zusammenstellung der simulierten Substrattypen
Das intrinsische, d.h. vollkommen rein angenommene, und das vollständig
isolierende Substrat wurden als nicht realistische Extremfälle zum Vergleich
berechnet. Ebenso ist die Annahme eines reinen p-Substrates mit einer
Konzentration von nur 
nicht ganz realistisch.
Abb. 4.2 zeigt nun Ausgangskennlinien der sechs verschiedenen
Fälle (bezeichnet nach Tab. 4.2). Man erkennt, daß sich die
verschiedenen Bauelemente hauptsächlich in ihrem Abschnürverhalten
und in ihrem Ausgangsleitwert im Sättigungsbereich unterscheiden.
Erwartungsgemäß schneidet das intrinsische Substrat (A) am schlechtesten ab,
d.h dieses Bauelement hat den höchsten Ausgangsleitwert und auch den höchsten
Drainstrom bei stark negativer Gatespannung, da durch das Substrat keine
Potentialbarriere gebildet wird, die das Eindringen der Elektronen ins Substrat
verhindern würde.
Abbildung: Ausgangskennlinien für die sechs verschiedenen Substrate:
Die Gatespannung wurde in 
Stufen variiert, für die oberste Kennlinie
gilt 
Genaueren Aufschluß über das Abschnürverhalten in den verschiedenen
Fällen liefern die Transferkennlinien. Abb. 4.3 zeigt diese
für 
und 
. Bei beiden Drainspannungen zeigt sich qualitativ
das gleiche Verhalten.
Das Substrat, das nur flache Akzeptoren (C) enthält, bewirkt im Vergleich mit dem
intrinsischen Substrat (A) ein deutlich besseres Abschnürverhalten.
Berücksichtigt man allerdings hier eine realistische EL2 Konzentration
von 
(D), so
verschlechtert sich das Abschnürverhalten wieder. Eine Verringerung der
EL2 Konzentration auf 
(F) bewirkt praktisch keine
Veränderung. Alle bisher betrachteten Substrate zeigen ein schlechteres
Abschnürverhalten als das vollkommen isolierende Substrat (B). Erhöht man
die Konzentration der flachen Akzeptoren
auf 
(E),
so erhält
man trotz Berücksichtigung einer EL2 Konzentration von ein
besseres Abschnürverhalten als mit dem isolierenden Substrat. Daraus läßt
sich erkennen, daß die Konzentration der Akzeptoren im Substrat den größten
Einfluß auf das Abschnürverhalten hat.
Abbildung: Transferlinien für die sechs verschiedenen Substrate:
(oben) und (unten)
Um den Einfluß der verschiedenen Substrate zu veranschaulichen, betrachten
wir die Potentialverteilung, die Elektronenkonzentration und die
Stromdichteverteilung bei einem Arbeitspunkt im Abschnürbereich 
und . Als Orientierungshilfe in den Darstellungen
sollen die in Abb. 4.1 eingezeichneten Koordinaten dienen.
In Abb. 4.4 ist anhand von Querschnitten durch
die Potentialverteilung die Potentialbarriere von der aktiven Schicht zum
Substrat hin dargestellt.
Die Numerierung der Querschnitte bezieht sich auf die Koordinaten quer zum
Kanal. Der Querschnitt 5 zeigt den Potentialverlauf genau
in der Mitte des Gatekontakts. Man kann deutlich erkennen, daß im Falle des
intrinsischen Substrates (A) die Potentialbarriere nur etwa 
beträgt,
während im Falle einer hohen Akzeptorkonzentration (E) die Barriere fast
sechmal so groß ist. Der Potentialverlauf in den Substraten C und D liegt
in Übereinstimmung mit den Transferkennlinien zwischen den beiden
Extremfällen.
Die Abbildungen 4.5 und 4.6 zeigen die
Elektronenkonzentration und den Elektronenstromverlauf für die Substrate
A, C, D und E. Substrat A ist aufgrund der geringen Potentialbarriere mit
einer bemerkenswert hohen Konzentration von 
Elektronen pro
überschwemmt, der
Stromtransport findet bis weit ins Substrat hinein statt. Im Gegensatz dazu ist
der Kanal des MESFET im Falle des Substrates E bis zu einer
Elektronenkonzentration von 
ausgeräumt. Die Stromdichte ist
hier um zwei Größenordnungen geringer, der Stromtransport wird auf einen
schmalen Bereich im Substrat (ca. 
) beschränkt.
Vergleicht man Substrat C und D so kann man den Einfluß der tiefen Störstellen
im Substrat D erkennen. EL2 Störstellen wirken als Elektronenfallen, d.h. sie
sind neutral, wenn sie besetzt sind und tragen zur positiven Raumladung bei,
wenn sie unbesetzt sind. Die unbesetzten Störstellen verringern die negative
Raumladung im Substrat. Dadurch können die Elektronen so weit ins Substrat
eindringen bis sich ein Gleichgewicht einstellt. In Abb. 4.5 ist
die deutlich höhere Elektronenkonzentration im Substrat D zu sehen. Der
Strompfad reicht hier fast weit ins Substrat (Abb. 4.6).
In integrierten Schaltungen wird einerseits eine gute Isolation zwischen den einzelnen Transistoren gefordert, andererseits sollen die Transistoren eine möglichts gute Transfercharakteristik aufweisen. Eine gute Isolation erfordert eine möglichst geringe Leitfähigkeit des Substratmaterials, eine gute Transfercharakteristik erfordert eine höhere Konzentration von Akzeptoren im Substrat. Beide Forderungen lassen sich mithilfe kompensierter semi-isolierender Substrate erfüllen. Eine genaue Vorhersage der MESFET Charakteristiken durch die Simulation ist also nur bei Kenntnis und Berücksichtigung der tiefen Störstellen im Substrat möglich.
Abbildung 4.4: Querschnitte durch die Potentialverteilung , :
Dargestellt sind die Substrate A (links oben), C (rechts oben), D (links unten)
und E (rechts unten);
Querschnitte von 
(1) bis 
(7) in
Abständen
Abbildung 4.5: Elektronenkonzentration in den Substraten A (links oben),
C (rechts oben), D (links unten)
und E (rechts unten)
Abbildung 4.6: Elektronenstromdichte in den Substraten A (links oben),
C (rechts oben), D (links unten)
und E (rechts unten)