Биполярные и полевые СВЧ транзисторы

Биполярные и полевые СВЧ транзисторы

1. Биполярные СВЧ транзисторы

В основе работы полупроводниковых СВЧ БТ и ПТ лежат те же физические процессы, которые определяют работу их на НЧ и ВЧ. Однако ряд факторов ограничивает использование НЧ и ВЧ транзисторов на СВЧ и требует решения ряда конструкторских и технологических задач.

Следует отметить, что частотный диапазон транзистора (БТ) ограничивается временем переноса носителей заряда через пространство активного взаимодействия. Это время для БТ оценивается суммой времен задержки, характеризующих последовательные стадии пролета от эмиттера к коллектору:

эк = 0,5/fт = э + к + с, где э, к времена, определяющие заряд эмиттерных и коллекторных емкостей; в, с времена задержки в базовом и коллекторном р-n переходе, fт — граничная частота.

Можно показать, что э = RэСэ + э, где Rэ = (Iэ/Uэ)1 сопротивление, Сэ емкость эмиттера, а э = d2э (2D00)1 время рассасывания не основных носителей в эмиттерном слое, dэ глубина залегания эмиттерного перехода, Dэ коэффициент диффузии не основных носителей заряда в эмиттере, 0 — коэффициент усиления по току.

Время задержки сигнала в базовом слое в случае однородного легирования базы, в которой скорость диффузионного пролета Vдиф = (D/n)(dn/dx) 2Dв/dв равно в = d2б (2Dв)1, где dв толщина базы в направлении тока базы, Dв коэффициент диффузии не основных носителей в базе.

При неоднородном легировании базы в ней может образоваться внутреннее поле Евнутр, приводящее к значительному ускорению пролета базы и если Евнутр = const, то в = d2в{2Dв[1 + (Евнутр/Е0)3/2]}1, где Е0 = 2D/dв.

Время задержки в обедненном слое коллекторного р-n-перехода благодаря сильному полю в нем определяется дрейфом с предельной скоростью Vнас и при оценках принимается равным половине времени пролета c = Lк/2Vнас.

Время заряда обедненной емкости коллектора к = RкСк, где Rк — последовательное сопротивление коллектора. Полным временем задержки определяется граничная частота fт

fт = ½эв, (1)

которая для БТ соответствует частоте, при которой коэффициент усиления по току в режиме КЗ выхода схемы с ОЭ = (Iк/IБ) равен единице. Условие = 1, соответствует уменьшению коэффициента усиления по току в схеме с ОБ () в два раза (т.к. ().

Для БТ можно оценить конструкторско-технологические решения, которые позволяют создать транзистор, работающий в СВЧ диапазоне.

Исходным материалом планарного БТ служит пленка высокоомного Si-n, создаваемая эпитаксиальным наращиванием на Si подложку, на которой формируется вывод коллекторного контакта. Методом ступенчатой фотолитографии в изолирующей пленке создают окна, через которые в несколько стадий вводят легирующие примеси и формируют область базы с проводимостью р-типа, низкоомную приконтактную область базы р+, а в дальнейшем — эмиттерную область с проводимостью n±типа. Металлическая пленка Э, Б и К обеспечивает подачу управляющих и питающих напряжений.

На границе Э-Б создается обедненный подвижными носителями заряда эмиттерный р-n-переход, а на границе Б-К-коллекторный.

В СВЧ транзисторах принимают меры по уменьшению времени переноса заряда через базу, для чего уменьшают размер lб. Современная технология позволяет реализовать б до десятых долей микрона. Наличие сверхтонкой базы является одной из особенностей СВЧ БТ.

Однако при уменьшении толщины базы снижается пробивное напряжение коллектора, а следовательно уменьшается выходная мощность. Следовательно, для СВЧ-транзисторов значение выходной мощности единичного транзистора снижается (компенсация достигается объединением в одном корпусе нескольких структур).

Сокращение времени переноса носителей через базу возможно также и за счет обеспечения преимущественно дрейфового (а не диффузионного) характера переноса. Дрейфовая скорость может существенно превышать скорость диффузионного движения, если создать в базе внутреннее ускоряющее поле. Для этого при изготовлении дрейфового транзистора легирующие примеси в базе распределяются неравномерно.

Например, для базы р-типа обеспечивают превышение концентрации акцепторных примесей у эмиттера по сравнению с концентрацией (акцепторов) у коллектора. Можно показать, что в случае экспоненциального распределения примесей в базе напряженность электрического поля оказывается постоянной по толщине и определяется отношением концентраций примеси на границах базы Евнутр = тlб-1lnNбэ/Nбк, (2)

где т = kT/q температурный потенциал, lб толщина базы.

Величину m = Евнутрlб/2т называют фактором поля. Он характеризует соотношение между напряжением в базе за счет внутреннего поля и температурным потенциалом и для кремния достигает 10. Так, если при 3000К т = 0,25 мВ и m = 2, то в базе с толщиной 0,3 мкм возникает поле порядком 4 кВ/см.

В дрейфовых транзисторах время переноса заряда через базу в m раз меньше по сравнению с бездрейфовыми (т.к. дрейфовая скорость равна диффузионной при электрическом поле порядка 1 В/см, то в реальных Евнутр >> 1 В/см, то можно заведомо не принимать во внимание диффузионный перенос носителей). Граничная частота коэффициента переноса тока также увеличивается в m раз, т. е. fтдр = mfтбездрейф.

Уменьшение толщины базы (кроме снижения мощности) ведет еще и к увеличению сопротивления базы в поперечном направлении, что увеличивает постоянную времени заряда Cк р-n-перехода и, следовательно, снижает fт. Для снижения влияния роста Rк под базовым выводом легируют область полупроводника, создавая низкоомный слой р+ - типа. Тем не менее протекание базового тока параллельно плоскости кристалла приводит к возникновению неравномерного падения напряжения на распределенном сопротивлении материала базы. (Протекание тока базы обусловлено вводом и выводом носителей заряда через базу для обеспечения ее электронейтральности). Возникающие из-за тока базы падение напряжения на эмиттерном переходе в центре эмиттера оказывается меньше падения напряжения у края.

Плотность тока эмиттера экспоненциально зависит от напряжения на р-n-переходе.

Рис. 1 Рис.2

Поэтому, падение напряжения вдоль оси Х в тонкой базе всего в несколько т приведет к различию в значении jэ примерно на порядок (jэx=0 < jэx=l/2). Возникает эффект «оттеснения тока эмиттера» (рис.1), для устранения которого эмиттер выполняют в виде узких полосок (увеличивают их длину по координате Z для получения нужного тока эмиттера, а для выравнивания напряжения вдоль их располагают в виде большого числа отдельных полосок, до 15 штук, между которыми располагают полоски выводов базы) т. е. формируют гребенчатую структуру (рис.2).

Конфигурация эмиттера и базы определяют fт, причем для ее увеличения БТ должны иметь максимальный периметр эмиттера при минимальной площади. Первое требование — обеспечивает необходимость равномерного распределения тока эмиттера, второе — уменьшение емкости эмиттера, снижающей уровень инжекции и шунтирующей эмиттерный переход.

В виде гребенчатой структуры реализованы эмиттеры с lэ = 1мкм, fмакс = 40/(lэ + 2t), где l, t — d мкм.

Для создания более мощных БТ используют объединение в одном кристалле до 150 единичных структур с сохранением большого отношения периметр/площадь. В многоэмиттерных структурах реализуют полоски низкоомного р+ слоя в кристалле, а внутри каждой ячейки располагают прямоугольный эмиттер. Вывод эмиттера изолирован от базовой сетки слоем SiO2.

Внешние выводы делают в виде коротких полосок (под МПЛ), что снижает их паразитные параметры С и L. Причем транзисторы выполняют без внешнего металлического корпуса.

В заключении следует указать еще одну величину: fмакс = [h21бfт/(8rбСк)]0,5, fмакс = fгр на которой 20,50/2, которая характеризует предельные частотные возможности БТ. На частотах выше fмакс БТ перестает быть активным элементом, т. е. только поглощает подводимую мощность. Генерация или усиление в этом случае невозможны ни при каких схемных включениях.

Частотные зависимости модулей коэффициентов передачи для схем с ОБ и ОЭ определяются частотами h21э и h21б, на которых коэффициент усиления по мощности уменьшается в 2 раза по сравнению с максимальным, причем h21б > h21э и определяются через снижение коэффициента передачи тока h21i (h21б = Iэ/IкUк=0, h21э = Iк/IбUк=0) до значения 20,5h21б, э/2 (рис.3).

Рис.3

Следует помнить, что частоты h21э, б называть граничными нельзя, т.к. низкочастотное значение h21э 0 40, и при частотах выше h21э транзистор вполне может работать, (т.о. для повышения fгр необходимо снижать rб, Ск, что является противоречивым требованием).

Современные транзисторы БТ работают до 15 20 ГГц. Получено: Рмакс непр = 300 Вт на частоте f = 1 ГГц; 20 Вт на 3 ГГц; 1 Вт на 10 ГГц; 0,1 Вт на 14 ГГц, КПД 1 3 ГГц — 50%, 14 15 ГГц — 20%, Кшума = 2,5 3,0 дБ на 2−4 ГГц; 7,0 дБ на частотах более 10 ГГц.

Гетероструктурные БТ

Радикально повысить быстродействие БТ можно, если увеличить легирование базы без изменения эффективности эмиттера, что возможно при использовании в качестве эмиттера-гетеропереход. Пример гетеро-n-р-перехода с широкозонной n-областью приведен на рис. 4.

«Встроенное» поле на переходе оказывается различным для электронов и дырок, оно и препятствует току дырок из рв n-область. В рассматриваемом случае дырочный ток уменьшается (в exp (-E/kT), где E — дополнительный гетеробарьер для дырок), поэтому эффективность эмиттера э будет близка к 1, даже если уровень легирования р-области (базы) выше, чем n-области (эмиттера)

(3)

Различают плавные и резкие гетеропереходы рис. 4.

Рис.4

При этом величина E в плавном гетеропереходе (варизонном кристалле) приблизительно равна разности ширин запрещенных зон Eз. При этом в плавном гетеропереходе (использован в качестве эмиттера) увеличение барьера для дырок создано за счет разности ширины запрещенных зон, а в резком оно определяется величиной Ev как показано на рис.4

В резком гетеропереходе созданном между GaAAs — GaAs барьер может достигать величины более 10 кT, что вполне достаточно для снижения более чем на порядок второго множителя, определяемого эффективность эмиттера Э.

Следует заметить, что повышение эффективности эмиттера в кремниевых БТ имеет место также при использовании поликристаллического кремния в качестве более широкозонного материала для эмиттера.

Перспективным материалом для широкозонного эмиттера является также CrSi. Такие эмиттеры позволяют избежать туннельного эффекта при легировании базы до 1019 см-3 и более, т.о. достигается тонкий слой базы и тонкие обедненные слои, а главное — снижение на порядок величины сопротивления базы.

Гетеропереход широкозонный коллектор-узкозонная база позволяет исключить инжекцию дырок из базы в коллектор благодаря образованию барьера для дырок, поэтому допустимо Nк 1017 см-3 при Nб 1019 см-3. Трехслойная n-р-n-структура с двумя гетеропереходами позволяет реализовать взаимозаменяемость эмиттера и коллектора в ИС и возможность оптимизировать параметры базы и коллектора.

Ожидается, что наибольшим быстродействием будут обладать БТ со структурой GaAGe — GaAs за счет того, что Ge — допускает сильное легирование акцепторными примесями и имеет высокую подвижность дырок, обеспечивая малое сопротивление базы.

Возможные конструкции гетероструктурных БТ (ГСБТ) приведены на рис.

Первая реализация ГСБТ (рис.5а) представляет двухслойную структуру: широкозонную GaAAs (вдоль поверхности) и под ней — узкозонную GaAs. Эмиттерный гомопереход в широкозонном приповерхностном слое пропускает ничтожно малый ток по сравнению с током через гетеропереход в узкозонную область, где высота барьера на ЕД меньше. Практически транзистор работает в вертикальном направлении при отключенной горизонтальной части.

Эти же идеи использованы для создания обращенного транзистора (узкий коллектор с малым Ск на поверхности) с одновременным сужением активной части эмиттера рис. 5, б.

а б

Рис.5

Для таких структур с микронным эмиттером и электронной базой при I = 2 мА, Vл = 0,5 В получено Д = 8 nс, fт 29 ГГц, fмакс 19 ГГц, Рд = 1 мВт (время задержки при переключении).

Серьезные технологические трудности пока не позволяют использовать указанные структуры в БИС и СБИС (т.к. физика дефектообразования и ряд других процессов в материалах группы А3В5 существенно отличаются от аналогичных явлений в кремние (хотя отдельные образцы) гетеролазеры, гетерофототранзисторы) с широким эмиттером уже получены с удовлетворительными характеристиками.

Варизонные БТ (ВБТ). Благодаря возрастанию ширины запрещенной зоны от коллектора к эмиттеру в ВБТ n-р-n по всей структуре для неосновных носителей заряда имеется встроенное поле Евстр. Это поле, с одной стороны, ускоряет пролет инжектированных электронов через базу (как в дрейфовых БТ), а с другой — препятствует инжекции дырок из базы в эмиттер (как в плавном гетеропереходе). Эффект уменьшения времени задержки дрейфового пролета (б (Ев) dб/2Евстр = d2бq/2Ед) в варизонной структуре значительно превышает аналогичный эффект в дрейфовом транзисторе (в котором Евстр обусловлено неоднородным легированием базы и по порядку величины его произведение на толщину базы (dб) не превышает нескольких кТ/q).

Рис.6

Так при Ед = 0,15 эВ, dб = 5105 см получаем Евстр = 5 кВ/см. При этом б при Nб = 1018 см-3 составит приблизительно 5 пс. Энергетическая диаграмма такой структуры приведена на рис. 6.

2. Полевые СВЧ транзисторы

В отличие от БТ, где управление потоком не основных носителей осуществляется заданием тока инжекции из эмиттера, в ПТ осуществляется управлением потоком основных носителей заданием поля (потенциала) на затворе, как это реализовывалось в вакуумных приборах.

Принято разделять ПТ СВЧ на три группы (рис. 7 а, б, в, соответственно):

ПТ, в которых в качестве затвора используется р-n-переход, или контакт металл-полупроводник (МЕППТ, барьер Шоттки), а пространство между истоком и стоком имеет один тип проводимости;

ПТ с затвором в виде металл-диэлектрик-полупроводник (МДППТ, МОППТ), а тип легирования областей стока и истока противоположен легированию области затвора;

ПТ с гетероструктурными затворами (ГСПТ).

Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТ с барьером Шоттки (рис. 7 а). В них, в высокоомной подложке, выполненной из арсенида галлия, создан эпитаксиальный проводящий канал n-типа. Через невыпрямляющие контакты (n — металл истока и стока) этот канал подсоединен к выводам истока и стока, между которыми расположен затвор (З) на границе которого с n-каналом образован барьер Шоттки.

а б в Рис.7

При приложении внешних, питающих напряжений в канале протекает ток, приводящий к падению напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. Обедненный слой, по этой причине является несимметричным.

Одним из основных параметров ПТ, определяющим частотные свойства, является время пролета носителей заряда в канале tк = lк/Vнас, где lк — длина канала lк = l1 + l2 + l3; Vнасдрейфовая скорость насыщения носителей заряда в канале.

Следовательно, для получения СВЧ прибора необходимо иметь малую lк и большую Vнас, т.о. формируются основные требования к материалу и геометрическим размерам ПТ.

В качестве материала применяют арсенид галлия, т.к. подвижность в нем в 6 раз выше, чем у кремния (4700 см2/Вс), а предельная скорость насыщения больше в 2 раза, причем достигается она при значительно меньших электрических полях (0,9105м/с и 1,8105м/с). Применяется также и фосфид индия InP, дрейфовая скорость в котором в 1,5 раза выше, чем у арсенида галлия.

Величина lк снижена до 0,5 2,0 мкм, при этом ток прибора, а следовательно — мощность повышается за счет увеличения ширины канала (в) до 2 3 мм и создания многоканальных структур (см. рис.8), где приведены структуры ПТ гребенчатого типа и структура с двумя выводами затвора.

Для ПТ fт более 4 ГГц реализованы структуры с l3 = 1,5 мкм, l1, l2 = 1,0 и 2,0 мкм, lк =2,6 мм, n = 30 единичных структур соединенных параллельно с Рвых =2,0 Вт. Уменьшение длины канала неблагоприятно сказывается на значение коэффициента отражения от входа, что затрудняет согласование ПТ с входом СВЧ тракта.

Преимущества ПТ заметно проявляются с повышением рабочей частоты. Так на 6 ГГц получена мощность 25 Вт при КПД 50% и коэффициенте шума 3 дБ на 15 ГГц 2 Вт, КПД 20 25%, шум 3 6 дБ, для частоты более 18 ГГц промышленность БТ вообще не выпускает, а ПТ на 18 ГГц дают мощность более 1 Вт, КПД 10 20%, шум 5 8 дБ.

Малошумящие ПТ имеют коэффициент шума 0,7 дБ на 4 ГГц, 1,7 на 12 ГГц, менее 3 дБ на 18 ГГц, причем коэффициент усиления последних равен 5 дБ.

В ближайшее время ожидается получение ПТ с частотами порядка 30 ГГц с выходной мощностью 1 Вт и коэффициентом шума порядка 3 дБ.

«Низкочастотные» ПТ обычно имеют планарную металлизацию вида рис. 8 а г.

транзистор коллектор туннелирование квантовый Рис. 8

3. Сверхбыстродействующие транзисторы Баллистические и аналоговые транзисторы Быстродействие транзисторов определяется временем пролета носителей заряда от эмиттирующего носители электрода (эмиттера, истока) до принимающего электрода (коллектора, стока) (В дальнейшем мы будем говорить только об электронах, хотя все остается справедливым и для дырок). Это время определяется скоростью и расстоянием, предел уменьшения которого накладывается технологическими трудностями. Для увеличения скорости используется электрическое поле либо контактное, либо внешнее, разогревающее электроны, и обычно чистый, беспримесный полупроводник, обеспечивающий электронам возможность свободного безстолкновительного пролета, или, как принято говорить, возможность инерционного, баллистического пролета. Быстродействующие (СВЧ) транзисторы можно условно разделить на пять групп: 1) Баллистические электронные транзисторы (БЭТ) с гетероструктурой и туннельным эмиттером; 2) БЭТ с планарно-легированными барьерами; 3) БЭТ с варизонными барьерами и индуцированной базой; 4) полевые транзисторы с переносом заряда в пространстве; 5) полевые транзисторы, аналогичные по своей структуре вакуумным триодам и поэтому названные аналоговыми транзисторами. Рассмотрим все их последовательно.

1) БЭТ с туннельным эмиттером или туннельный транзистор на горячих электронах (ТТГЭ), как и обычный биполярный транзистор (БТ) имеет эмиттер, базу и коллектор, но, в отличие от БТ, у него все они имеют один и тот же тип проводимости, то есть ТТГЭ униполярный транзистор. За счет этого снижаются емкости эмиттерного и коллекторного переходов (нет диффузионной емкости, связанной с неосновными носителями) и, соответственно, повышается предельная частота. На рис. 9 показана гетероструктура зоны проводимости ТТГЭ.

Рис.9

Начальная скорость в ТТГЭ определяется потенциалом VЭБ, но при превышении энергии «0,7 в начинается потеря скорости из-за взаимодействия с фононами и примесями. Расчеты показывают, что при толщине базы 50 м, когда ее пролетают баллистически около 60% электронов, время пролета составляет «0,3 псек, однако при этом на величину предельной частоты влияет большая постоянная времени RбС переходного процесса в (БЭТ) (где С — емкость эмиттерного перехода) и приходится уменьшать сопротивление базы Rб путем ее легирование примесями. Это касается не только ТТГЭ, но и всех БЭТ, поэтому их часто называют транзисторами с легированной базой.

2) БЭТ с планарно легированными барьерами — это обычно семислойная структура (рис. 10 в которой эмиттерный и коллекторный барьеры образованы каждый двумя контактами и, причем — слои имеют толщину («25нм) на порядок меньше, чем i-слои эмиттера и коллектора и n-слой базы (на рис. 10 сплошная линия показывает зону структуру в отсутствии внешних полей, а пунктирная линия — при рабочих напряжениях на электродах).

Рис.10

Горбообразные барьеры эмиттера и коллектора получили название планарно-легированных барьеров, проходя которые в эмиттере электроны получают энергию, позволяющую им баллистически пролетать базу и коллектор. По оценкам предельная частота таких транзисторов может быть более 200 ГГц.

3) БЭТ с варизонными барьерами и индуцированной базой. Варизонный барьер — это барьер использующий полупроводник с переменной по длине концентрацией его компонент, в результате чего ширина запрещенной зоны оказывается изменяющейся вдоль этой длины. Обычно это полупроводник причем х меняется по глубине эмиттера (на рис. 11 зонной структуры такого БЭТ: 0

Коллектор может быть сделан с планарно-легированным барьером, а может быть в виде резкого гетероперехода, как показано на рис. 11.

При этом базовая область не легирована и в равновесном состоянии она не проводящая, а при приложении напряжения к коллекторному переходу электрическое поле проникает в область базы и там индуцируется вырожденный электронный газ у стенки гетероперехода. Поэтому такие транзисторы называются транзисторами с индуцированной базой (ТИБ).

Рис.11

Малая толщина базы и ее высокая проводимость обеспечивает быструю зарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и баллистический пролет электронами базы и коллектора, что создает у ТИБ высокое быстродействие (порядка долей пикосекунд) Принцип работы ТИБ такой же как и у транзисторов с металлической базой, которые будут рассмотрены позднее. Необходимо отметить, что работа всех трех типов БЭТ рассматривалась выше весьма схематично. В действительности в поведении БЭТ много особенностей и в настоящее время исследованы и уже нашли применение разновидности таких БЭТ, использующие не только GaAs и AlGaAs, но и GaInAs, InAs, AlSb, GaSb и др, причем часть из них работает при температуре 77К, а целый ряд хорошо функционирует и при 300К.

4) Полевые транзисторы с переносом заряда в пространстве. Эти транзисторы имеют две особенности, каждая из которых может использоваться либо в отдельности, либо обе вместе. Первая особенность — создание отрицательного сопротивления (ОС) в канале и такие полевые транзисторы (ПТ) называют ПТОС. Вторая особенность — инжекция заряда (ИЗ) из основного канала и такие транзисторы — ТИЗ. Канал такого ПТ сделан в виде гетероструктуры с селективным легированием, зонная модель которой в поперечном сечении канала показана на рис. 12. В нелегированных слоях (i-GaAs) подвижность электронов значительно выше, чем в легированных широкозонных n+AlGaAs. При отсутствии внешнего поля в канале все электроны находятся на более нижних уровнях. то есть в слоях i-GaAs, куда они переходят из-за того, что там более низкое положение по энергии, из широкозонного легированного слоя, где они образуются. Это определяет высокую подвижность электронов и быстродействие таких ПТ. При пропускании тока по каналу, то есть параллельно границам слоев, происходит два процесса.

Во-вторых электроны, набирая энергию от поля, поднимаются вверх по энергетической оси и попадают в высоколегированные слои n+AlGaAs (волнистые стрелки на рис.12), где их подвижность еще больше уменьшается. В итоге выходная вольт-амперная характеристика такого ПТ (iси = f (Uси)) получает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ПТОС). Величина iси может, как и в обычном ПТ, регулироваться напряжением на затворе.

Рис.12

Однако если в таком ПТОС сделать проводящую подложку из n-GaAs и подсоединить к ней четвертый электрод, то из i-GaAs разогретые электроны через варизонный слой i-AlxGa1-x As будут инжектироваться в эту подложку-анод и весь прибор станет аналогом обычного вакуумного тетрода, в котором роль катода играет канал i-GaAs, роль первой сетки играет затвор, а роль второй сетки-сток. Структура такого ПТ и его поперечная зонная диаграмма показана на рис. 13.

Рис.13

Видно, что второй слой AlGaAs сделан варизонным с тем, чтобы обеспечить хорошую инжекцию электронов в n-слой GaAs и к четвертому электроду с потенциалом VA. Ток этого электрода зависит от VA при вариации Uис так же как в вакуумном триоде, а ток icи дает зависимость от Uси с участком ОС лишь при больших VA. В ряде конструкций затвор вообще отсутствует, а электрод подложки помещается справа, параллельно стоку.

5) Аналоговые транзисторы. Эти транзисторы являются разновидностью ПТ вертикального исполнения с затвором в виде сетки (решетки). Хотя идея создания таких транзисторов была предложена полвека тому назад, преодолеть, и то лишь частично, технологические трудности удалось только в последние годы. Условно аналоговые транзисторы можно разделить на три группы, каждая из которых имеет много разновидностей.

а) Транзистор со статической индукцией (СИТ). Это транзистор с затвором в виде сетки из p-n-переходов, типичная структура которого показана на рис. 14. Так как электроны движутся в нелегированном i-слое, они имеют высокую подвижность, что и определяет быстродействие СИТ. Конструкция СИТ напоминает конструкцию обычного вакуумного триода и поэтому СИТ имеет характеристики, похожие на аналогичные характеристики триода. В ряде конструкций вместо сетки используются более расширенные области р+ полупроводника возле затвора и вместо i-слояn-слой. В других исток и затвор располагаются практически в одной плоскости, а в фототранзисторах (ФСИТ) исток при этом выполнен прозрачным для света. В туннельных СИТ (СИТТ) в истоке стоит обратносмещенный р±n+ (туннельный) переход, дающий высокую плотность тока.

Рис.14

б) Транзистор с проницаемой базой (ТПБ) является аналогом СИТ, у которого сетка выполнена из тончайших полосок металла (тантал, молибден, вольфрам шириной 0,1−0,5 мкм), а вместо i-слоев используется легированный полупроводник с концентрацией примесей 1016−1017 см-3 толщиной «0,3 мкм истокового слоя и «2мкм стокового. Расчеты показывают. что максимальная частота ТПБ растет с уменьшением ширины полосок сетки, достигая 600 ГГц при ширине 0,1 мкм, причем это уменьшение должно сопровождаться ростом концентрации примесей. Управление током исток-сток осуществляется напряжением на барьере Шоттки между металлом затвора и полупроводником. Характеристики ТПБ подобны характеристикам СИТ.

в) Транзисторы с металлической базой. Эти транзисторы можно представить как ПТ с вертикальной структурой, в котором затвор (база) прозрачна для электронов. Предельно малые длины пролета делают такие транзисторы сверхбыстродействующими. Практически был реализован МОМОМ транзистор, где между металлическими эмиттером, коллектором и базой (толщина ее «10 нм) помещены тонкие («1,5 нм) слои окисла.

Структура МОМОМ и ее зонная диаграмма показаны на рис. 15, из которого видно, что электроны эмиттера туннелируют через тонкий окисел и с большой энергией пролетают базу и окисел коллектора.

Рис.15

К числу транзисторов с металлической базой относятся также структуры типа полупроводник-металлполупроводник (ПМП), из которых удалось удачно реализовать структуру типа Si-CoSi2-Si, где CoSi2 тонкая пленка (20 нм), обладающая металлическими свойствами. Так как постоянные решеток Si и CoSi2 близки, структура представляет собой единый монокристалл — монолит. Эмиттер вблизи базы имеет нелегированный слой (200 нм), а коллекторный слой (800 нм), наоборот, сильнолегирован. При этом потенциальный барьер вблизи эмиттера выше, чем вблизи коллектора и эмитируемые электроны проходят базу и переход коллектора баллистически. Максимальные частоты таких транзисторов по прогнозам превышают 1 ТГц.

4. Приборы на квантово-размерных эффектах

Основой квантовой механики явились экспериментальные факты, согласно которым поток элементарных частиц (например, электронов) проявлял типично волновые свойства, такие как интерференция и дифракция. Это позволило рассматривать поток частиц с импульсами р как некоторую плоскую волну, длина которой (называемая длиной волны де-Бройля), как показало подробное исследование этого вопроса, связана с р соотношением:

(4)

где h = 6,626?10−34 Дж? с постоянная Планка. (Проще всего убедиться в справедливости соотношения (4) приравнивая энергию в квантовом и в корускулярном представлениях). Волновая функция микрочастицы имеет тот физический смысл, что — есть вероятность обнаружить частицу в объеме dV, то есть — плотность вероятностного распределения частицы в данной единице объема пространства. Распределение в пространстве волновой функции должно удовлетворять волновому уравнению, которое по аналогии с известным из курса «Теория поля» для напряженности электрического поля электромагнитной волны Е волновым уравнением будет иметь вид

(5)

где к волновой вектор, а импульс р связан с массой частицы m и ее кинетической энергией, (где W полная энергия частицы, V (x, y, z)-потенциальная энергия) очевидным соотношением, А = р2/2m. Уравнение (5) записанное в виде:

(6)

называется уравнением Шредингера. Если частица имеет полную энергию W, то найденная из решения (3) с заданными граничными условиями функция должна еще иметь обычный временной множитель

.

Рассмотрим решение уравнения (6) для случая. когда электрон с энергией W встречает на своем пути потенциальный порог (такой порог можно сделать например с помощью плоского конденсатора из сеток, между которыми создано тормозящее электроны поле и которые очень близко расположены одна к другой). В дальнейшем мы будем рассматривать случай, когда W зависит только от одной координаты х, то есть будем рассматривать «одномерные частицы» (рис. 16,а), когда. При этом решение уравнения (6) будет в случае V0 > W для области х < 0 иметь вид суммы двух волн (падающей и отраженной)

(7)

а для х>0 в виде только падающей слева направо и затухающей волны

. (8)

а б Рис.16

Из условия равенства функций при х = 0 (условие отсутствия разрыва функции) и условия равенства их производных (условие отсутствия излома суммарной функции) нетрудно получить, что

(9)

Из (9) следует. что коэффициент отражения волны, то есть волна-частица полностью отражается от потенциального порога при W < V0, что совпадает с обычными классическими представлениями, причем при х<0 падающие и отраженные волны образуют стоячую волну (рис. 16,б).

Но, в отличие от классических представлений здесь, согласно (8), при х > 0, то есть имеет место частичное проникновение электрона за порог.

Аналогичным образом можно на основе решения уравнения (6) рассмотреть с волновых позиций поведение потока электронов. падающих на потенциальный барьер (рис.17) или находящихся в потенциальной яме (рис.18).

Рис. 17 Рис.18

Рассмотрение первого случая показывает. что при этом падающая слева направо волна отразится от барьера не полностью и что имеется определенная вероятность найти электроны за потенциальным барьером, то есть в области III, причем уже из (8) легко определить. что если в этой области, то эта вероятность пропорциональна величине

(10)

где dширина барьера. Этот чисто квантовый эффект проникновения частиц сквозь потенциальный барьер при энергии частиц W меньшей высоты V0 барьера называется туннельным эффектом. Он часто проявляет себя в различных процессах электроники и ядерной физики и находит большое применение в электронике СВЧ.

Решение уравнения (6) для случая потенциальной ямы показывает, что частица в яме может иметь лишь строго определенный набор энергий W=Wn, при которых яма шириной, а оказывается резонатором для волновой функции. Этот эффект квантования энергии в потенциальной яме определенных размеров а, близких к величине дБ, называется размерным квантовым эффектом.

В случае бесконечно глубокой потенциальной ямы (рис.19) шириной, а решение (7) уравнения (6) с нулевыми граничными условиями выражается в виде синусоид и показывает, что разрешенные уровни энергии W=Wn в такой яме определяются выражением:

(11)

Вид функций при разных n дан пунктиром на рис. 19 и характеризует эффект квантования энергетических уровней. Если яма будет конечной глубины, то разрешенных уровней в ней будет либо один-два, либо всего лишь несколько штук. Следует отметить, что решение уравнения (6) для случая потенциальной ямы, образованной для электронов положительным зарядом (ядром атома) дает серию энергетических уровней Wn, переходы между которыми соответствуют квантам излучения или поглощения, расчетная величина энергии которых хорошо совпадает с многочисленными опытами, что в свое время и явилось торжеством и признанием квантовой физики.

Рис.19

Из рис. 19 видно, что размер, а ямы должен быть по порядку величины близок к дБ, которая для комнатной температуры у электронов в полупроводниках имеет порядок 10−8 м «10 нм. Современная технология полупроводников позволяет создавать, используя полупроводники с разной шириной запрещенной зоны, слоистые структуры с такой толщиной слоев, то есть позволяет создавать квантовые ямы и барьеры.

Если рассмотреть структуру с периодически повторяющимися барьерами и ямами. называемую сверхрешеткой, то мы получим аналог обычного кристалла, в котором потенциальные ямы атомов соединены вместе, что приводит к расплыванию отдельных разрешенных энергетических уровней электронов в атоме в зоны разрешенных значений энергии, между которыми расположены зоны запрещенных значений энергии. Но в отличие от кристалла, в котором атомы расположены достаточно близко и поэтому разрешенные зоны получаются достаточно широкими. в сверхрешетке расстояние между соседними ямами обычно бывает большим и разрешенные зоны на один-два порядка уже чем в кристалле. Поэтому их называют минизонами (рис.20).

Основной структурным элементом СВЧ приборов на размерных квантовых эффектах является двойной потенциальный барьер с квантовой ямой посередине, получивший название резонансного туннельного диода (РТД).

Рис.20

Рассмотрим структуру зоны проводимости такого диода (рис. 21,а) образованного двумя барьерами широкозонного полупроводника (обычно AlGaAs) и расположенной между ними потенциальной ямой (обычно GaAs), причем по бокам от барьеров пусть имеется высоколегированный (вырожденный) донорный полупроводник (обычно n+ GaAs), у которого уровень Ферми WF лежит ниже первого (нижнего) резонансного уровня W1 потенциальной ямы, а дно зоны проводимости находится на уровне W0.

а б Рис.21

При приложении к такой структуре разности потенциалов U (плюс справа) дно зон проводимости и все уровни двухбарьерной структуры искрив-ляются и опускаются справа вниз (рис. 21,б), причем когда уровень WF слева расположится против уровня W1 ямы появится возможность у электронов левого n+ полупроводника туннелировать на резонансный уровень W1 ямы, а оттуда через правый барьер в правый n+ - полупроводник. При этом через РТД потечет ток, который будет расти с ростом U, а затем уменьшаться практически до тех пор пока на уровне W1 ямы не окажется дно зоны проводимости W0 левого n+ - полупроводника. После этого, так как слева уже нет электронов энергия которых удовлетворяла бы условию резонансного туннелирования через яму, ток должен существенно уменьшиться. Но тут начинает проявлять себя эффект обычного туннелирования через два потенцильных барьера (рис.18) и. кроме того, практически всегда при этом приближается или даже наступает условие W2 = WF резонанса для второго резонансного уровня ямы и ток вновь начинает возрастать с ростом напряжения. Вольтамперная характеристика РТД при этом имеет вид показанный на рис. 22.

Рис.22

Этот вид может существенно изменяться в зависимости от ширины барьеров, ямы и от других конструктивных особенностей РТД. Так в реальных РТД между барьерами и n+ - полупроводниками обычно помещаются тонкие нелегированные слои-спайсеры, толщина которых влияет на ход вольтамперной характеристики (ВАХ) РТД. На рис. 23, а показана типичная структура РТД, а на рис. 23, б дана зависимость отношения максимального тока ее ВАХ к минимальному от толщины в спайсеров. включения и использования, в частности, «паразитных» элементов самого РТД.

а б Рис.23

На рис. 24 показана простейшая эквивалентная схема автогенератора СВЧ на РТД, причем между точками, а и б дана эквивалентная схема самого РТД, где (G) отрицательная проводимость, появляющаяся на падающем участке ВАХ, Cg емкость шунтирующая (-G) и определяемая участком между n±GaAs, rs и Ls сопротивление и индуктивность подводящих участков (n+) РТД (Cg, rs и Ls «паразитные» элементы РТД, Rн и Lн параметры нагрузки).

Составляя уравнения Кирхгофа для схемы рис. 24 :

Рис.24

Инерционность процесса туннелирования, то есть время туннелирования, принято оценивать с помощью известного из курса физики соотношения неопределенностей, согласно которому это время связано с шириной линии резонанса туннелирования (как бы «толщиной» каждого их уровней W1, W2 и т. д.) соотношением:, где hпостоянная Планка. Такая оценка показывает, что верхняя частотная граница РТД Гц=1 Тгц. Однако в действительности инерционность устройств на основе РТД определяется инерционностью элементов схем его

(12)

(13)

дифференцируя по времени t первое уравнение (12) и поделив все члены его на L можно получить уравнение для переменного тока i малой амплитуды:

. (14)

Из (14) видно, что в случае в системе будут существовать автоколебания с частотой

(15)

которая при вариации L будет при иметь максимум, равный

(16)

откуда следует, что максимальная частота генерации автогенератора на РТД равна, то есть определяется произведением. По ряду оценок эта частота в настоящее время достигла 200 Ггц. Двухбарьерная структура РТД нашла применения в качестве составной части обычных биполярных и полевых транзисторов (БТ и ПТ) и транзисторов на горячих электронах. Эта структура помещается либо в эмиттер, либо в базу БТ, или либо в затвор, либо в исток ПТ. Это создает в выходных характеристиках БТ и ПТ соответствующие участки с уменьшением тока при росте напряжения, что существенно расширяет функциональные возможности БТ и ПТ.

Весьма интересны и перспективны структуры содержащие последовательное соединение нескольких РТД, в частности, сверхрешетки. Такие структуры имеют ВАХ, содержащую несколько падающих участков тока вдоль оси напряжений и могут найти широкое применение как в качестве умножителей частоты в большое число раз, так и для построения ряда логических элементов. Такие структуры также включаются в состав БТ и ПТ с целью расширения функциональных возможностей последних.

1. Полупроводниковые приборы В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. -М.: Высш.шк. 1987. -427с.

2. Батушев В. А. Электронные приборы: Уч. Для высш. Шк. -М: Высш.шк. 1980. -383с.

3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники.: Уч. Пособие для вузов. -М.: Сов. Радио 1980. -424с.

4. Игнатов А. Н. Полевые транзисторы и их применение.-М.: Радио и связь, 1984. -276с.

5. Бочаров Л. Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984, -80с.

6. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б.Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др.; Под общ.ред.Н. Н. Горюнова.-2-е изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1984.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ В. А. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др.; Под общ.ред. Н. Н. Горюнова. М: Энергоатомиздат, 1982.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А.Б.Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др.; Под ред.А. В. Голомедова. М: Радио и связь, 1989.

9. Тиристоры: Справочник/ О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, С. Л. Пожидаев. М: Радио и связь, 1990. (Массовая радиобиблиотека)

10. Булычев А. Л. и др. Электронные приборы. — М.: Лайт Лтд., 2000. — 416 с.

11. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Уч. пособие для вузов/ Ю. Л. Бобровский, С. А. Корнилов, И. А. Кратиров и др.; Под ред. Проф. Н. Д. Федорова. — М.: Радио и связь, 1998. -560с.

12. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. — 2-е изд. испр. и доп. — СПб.: КОРОНА принт, 2000. — 416 с.

13. Быстров ЮА., Гамкрелидзе С. А., Иссерлин Е. Б., Черепанов В. П. Электронные приборы и устройства на их основе: Справочная книга.- М.: ИП РадиоСофт, 2002 — 656с.

14. Малышев В. А., Червяков Г. Г., Ганзий Д. Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 354с.

1 Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов/ Ю. Л. Бобровский, С. А. Корнилов, И. А. Кратиров и др., Под ред.проф.Н. Д. Федорова. М.: Радио и связь, 1998. -560с.

16. Носов Ю. Р., Шилин В. А. Основы физики приборов с зарядовой связью. — М.: Наука, 1986. -240с.

17. Речицкий В. И. Акусто-электронные радиокомпонентыю Схемы, топология, конструкции. -М.: Радио и связь, 1987. -246с.

18. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах.-М.: Радио и связь, 1983. -216с.