П 3.2 Современные свч транзисторы

Быстродействие транзисторов определяет:

В лампе: Электроны должны преодолеть за время пролета меньшее расстояние, чтобы воздействие на него было большим.

В транзисторе: Время переноса заряда должно быть мало по сравнению с периодом.

Ограничение рабочих частот:

1. Время переноса заряда

2. Время перезаряда емкостей

3. Д/э проницаемость (чем выше ε тем больше С при той же площади)

4. Теплопроводность

5. Технологическая простота

Дрейфовая скорость носителей в полупроводниках

Стационарная дрейфовая скорость

Uсм.

Е

10⁴

Рис. 3.2.1 Рис. 3.2.2

В валентных полупроводниках (Ge,Si…) основной причиной ограничения скорости является рассеяние на оптических фононах (ОФ)

В отличие от почти упругого рассеяния на акустических фононах, рассеяние на ОФ является резко неупругим и при превышении энергии электрона энергии ОФ частота рассеяния резко растет и дрейфовая скорость насыщается.

Всплеск дрейфовой скорости:

Между двумя столкновениями электрон будет бесстокновительно разгоняться до скорости .При больших Е эта скорость может значительно превысить в стационарном состоянии.

На динамику этого процесса существенно влияет эффект междоменного переноса.

Пример: Пролет области длиной 0.1 мкм при произойдет за 1 пс., то есть в субмикронных структурах возможен всплеск V на всю толщину.

Скачок V можно реализовать не за счет скачка приложенного напряжения, а за счет неоднородности полупроводниковой структуры, которая приводит к скачку напряжения по длине полупроводника. Всплеска V в пространстве зависит от концентрации примесей, неоднородности объемного заряда и средней энергии носителей.

Баллистический пролет

Неоднородности в полупроводнике могут быть получены за счет создания нелегированных слоев, либо гетеропереходов.

Гетеропереход является эффективным инжектором баллистических электронов. Если создать сложную структуру неоднородности, то электроны будут периодически испытывать всплеск скорости таким образом можно получить повышение средней дрейфовой скорости в более толстой, но слоистой структуре.

Начальный импульс электрона имеет ярко выраженную направленность. Компонента момента параллельная плоскости гетероперехода, при инжекции не меняется, а перпендикулярная резко возрастает.

Гетеропереход – промежуток между двумя п/п с различной шириной запрещенной зоны и подвижностью носителей заряда. В ГП может иметь место односторонняя инжекция электронов (высота потенциального барьера для электронов меньше, чем для дырок), таким образом из потока носителей исключаются медленно движущиеся дырки.

Использование ГП позволяет снизить размеры активных областей (d) до характерных значений, при которых качественно меняется характер переноса носителей заряда. Такими характерными размерами являются длина свободного пробега и длина волны электрона .

При d< , пролет электроном активной области становится баллистическим ( за счет энергии, накопленной при инжекции).

При d> перенос электронов носит квантовый характер.

Если один из размеров прибора меньше , то электронный газ в нем становится двумерным – движение электронов оказывается свободным в направлении, в котором размеры активной области много больше и квантовым в направлении размера сравнимого с .

Материалы и технологии

На основе соединения можно создать соединения с тем же числом валентных электронов на один атом, что и в Si,Ge. Такое же свойство и структура соеднинений GaAs, InP, InAs, InSb, AlAs, во много аналогичны элементарным п/п.

В то же время это материалы с различной шириной запрещенной зоны, с различными постоянными кристаллической решетки и другое. Некоторые из этих соединений можно комбинировать, создавая твердые растворы.

Постоянные решетки GaAs (0.5653 нм) и AlAs (0.5661 нм) очень близки и граница раздела между ними имеет малую плотность поверхностных состояний.

Технологии типа молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (ГФОМС) позволяют выращивать материалы с очень резкой и бездефектной границей, меняя состав и легирование в пределах буквально одного атомного слоя – зонная инженерия.

Преимуществом соединений GaAs, InP является возможность создания полуизолирующих подложек. Это уменьшает паразитные емкости и позволяет создавать МПЛинии с малыми потерями.

Транзисторы

Полевые транзисторы на гетеропереходах с селективным легированием (HEMT) (ПТ ГСЛ)

Для увеличения рабочей частоты и выходной мощности нужен канал с высокой подвижностью электронов и высокой проводимостью. Увеличение проводимости достигается повышением легирования, но это приводит к уменьшению подвижности из-за рассеяния на примесях. Это противоречие преодолевается при селективном легировании. Области под Истоком и Стоком могут быть сильнолегированные.

Если InGaAs – PHEMT (псевдоморфный) Эту структуру ограничивают мощностные характеристики. Причина: малое пробойное напряжение стока из-за высоколегированного слоя GaAs. В мощных HEMT используют нелегированную обратную гетероструктуру. Для увеличения ρ делают полевые транзисторы с несколькими параллельными каналами.

Рис. 3.2.3

Уровень ρ (потенциальный барьер который может преодолеть е) зависит от соотношений элементов AlGaAs. Максимальная энергия будет при х=0.3

Характеристики транзистора:

(максимальная частота генерации)

(коэффициент шума)

U_ЗИ

Рис. 3.2.4

Транзисторы на горячих электронах

Горячими называют электроны и дырки в п/п с высокой по сравнению с равновесной ( )кинетической энергией.

Разогреть электроны можно с помощью электрического поля, оптического возбуждения, инжекцией через гетеропереход.

Кинетическую энергию можно увеличить двумя способами:

1. За счет увеличения дрейфовой скорости, например ускорением в электрическом поле (баллистический разогрев)

2. За счет увеличения хаотической скорости, например просто нагревая п/п (температурный разогрев)

Соответственно различают типы транзисторов:

1. Транзисторы с баллистической инжекцией горячих электронов

2. Транзисторы с переносом разогретого электронного газа в пространстве.

В транзисторах 1ого типа, называемых BET(Ballistic Electron Transistor) инжектируемыми из эмиттера в базу электронам сообщается высокая начальная скорость, благодаря которой они пролетают базу баллистически ( в инерционном полете). Высокая начальная скорость сообщается с помощью резкого потенциального барьера на переходе Эмиттер-База.

Часть электронов проваливается в потенциальную яму базы, а часть пролетает и попадает на коллектор.

Этот эффект может быть использован не только в п/п, но и в более неоднородных структурах, например металл-окисел-металл.

В транзисторах 2ого типа используется эмиссия горячих электронов через потенциальный барьер.

Электроны движутся в слое GaAs, заключенном между слоями AlGaAs. С увеличением напряжения С-И температура электронов возрастает и они вследствие термоэлектронной эмиссии переходят в слои AlGaAs, где их скорость мала. Это приводит к уменьшению тока С, то есть к отрицательному сопротивлению. Это похоже на процесс в вакуумном диоде, где разогрев катода приводит к увеличению тока анода и уменьшению тока стока.

BET транзисторы также как и БП имеют Базу, Коллектор и Эмиттер. Отличается от обычного БТ высоким уровнем энергии инжектируемых в базу электронов (ε=0.1-1 ЭВ)

BET как правило, униполярны (хотя бывают и БП) Униполярность позволяет использовать в качестве рабочих носителей заряда наиболее быстрые, плюс снижение величин емкостей за счет отсутствия диффузных составляющих, связанных с неосновными носителями.

Так как скорость инжектируемых электронов высока (~10⁸ см/сек) время пролета базы в ВЕТ составляет доли пикосекунд. Величина этой скорости определяется структурой барьера Э-Б. Используют в основном3 типа барьеров:

1. Гетероструктурный в туннельном

2. Планарно-легированный

3. Варизонный с термоэмиссией.

Транзистор с проницаемой базой

Гребенка из вольфрамовой пленки встроена в монокристалл GaAs. Управление током Сток-Исток осуществляется напряжением на барьере Шоттки.

Степень легирования выбирается таким образом, чтобы при Eсм=0 ширина обедненного слоя вокруг полосок была больше расстояния между ними. При Есм>0 между Истоком и Стоком образуется проводящий канал.

Топология сложная: Гребенка - субмикронная рентгеновская технология. Сложно наращивать кристалл над металлическим затвором.

Пример:

Если гребенка с шагом 0.1 мкм, то

Можно выполнять такие транзисторы и на Si, они не такие быстродействующие как на GaAs, но гораздо лучше обычных Si БТ. Можно сделать и биполярный вариант.

В нем электронно - дырочная плазма инжектируется в зазоры сетки, где плотность плазмы управляется напряжением на сетке.

Транзистор с металлической базой

Если ПТ горизонтальной структуры превратить в вертикальный с прозрачным для пролета электронов затвором, то он во много будет похож на вакуумный триод с п/п металлом вместо вакуума.

Размеры областей Исток-Затвор, Исток-Сток будут определяться уже не возможностями литографии, а технологией наращивания слоев. Длина пролета области затвора получается предельно малой. С позиции БТ это транзистор с металлической базой. Ее высокая проводимость также повышает быстродействие. Электроны тунеллируют из металла эмиттера через тонкий барьер слоя окисла на высокие энергетические состояния в металлической базе, а затем баллистически пролетает через базу над барьером-окислом между Базой и Коллектором.

Такие транзисторы называют – транзисторы с туннельным эмиттером или туннельными.

Существуют монолитные монокристаллические структуры – Si-металлический силицид-Si.

Эмиттер со стороны Базы имеет тонкий нелегированный слой, а катодный слой сильнолегированный. Потенциальный барьер у Эмиттера больше, чем у Коллектора. В качестве металлической Басы можно использовать сверхпроводники. Усилитель мощности отличается от малосигнальных усилителей.

Две неприятности:

• Нелинейность (параметры усиления сильно зависят от уровня мощности) КПД должно обеспечить высокий коэффициент усиления мощности и линейность.

• Сложность согласующих цепей.