Модуляционно-легированные транзисторы MODFET, биполярные транзисторы на гетеропереходах. Резонансный туннельный эффект

Высокая степень интеграции, характерная для современной кремниевой технологии, не может быть достигнута при использовании полупроводниковых соединений AIIIBV, однако эти соединения обеспечивают большее быстродействие, прежде всего, за счет высокой подвижности р носителей и меньших значений эффективной массы электронов в таких соединениях. Подвижность носителей в GaAs примерно на порядок превышает соответствующее значение для чистого кремния. А скорость электронов в полупроводниковых материалах под влиянием внешнего электрического поля является основным параметром при проектировании новых высококоскоростных электронных приборов. MODFET на основе модулированно-легированных квантовых гетероструктур могут обеспечить очень высокое быстродействие благодаря очень высоким значениям μ при продольном транспорте электронов.

Граничная частота таких устройств обычно превышает соответствующие значения для полевых МОП-транзисторов на кремниевой основе, а также полевые транзисторы с барьером Шоттки в качестве затвора (MESFET) на основе GaAs. Необходимо также упомянуть, что высокая подвижность электронов в этих структурах является следствием квантования электронных состояний в образующихся двумерных системах, а также высокого совершенства изготовляемых поверхностей раздела AlGaAs-GaAs.

На рис. 1 представлена взятая из работы [1] зависимость рабочей частоты (в ГГц) различных типов модулированно-легированных полевых транзисторов от длины затвора (в микронах).

Благодаря своим характеристикам такие устройства получили также название полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Для сравнения на рис. 1 приведены также типичные характеристики кремниевых полевых МОП-транзисторов и полевых транзисторов с барьером Шоттки на основе GaAs. Значения частот приводятся для комнатной температуры (300 К), хотя стоит отметить, что они гораздо выше при температуре около 0 К вследствие роста подвижности при низких температурах. В настоящее время уже существуют модулировано-легированные полевые транзисторы с длиной затвора около 100 нм и рабочей частотой при комнатной температуре порядка нескольких сотен гигагерц (ГГц).

Рис.1 Зависимость максимальной рабочей частоты различных типов транзисторов (MODFET, MESFET и полевых МОП-транзисторов) от длины затвора

Использование квантовых гетероструктур не ограничивается полевыми транзисторами, в которых транспорт электронов осуществляется лишь параллельно поверхности квантовой ямы, а включает также транзисторы, в которых транспорт происходит перпендикулярно поверхности раздела гетероструктуры. Работа таких транзисторов основана на приложении разности потенциалов к эмиттеру, базе и коллектору, что напоминает механизм действия биполярных транзисторов.

Максимальная рабочая частота биполярных транзисторов ограничивается временем пролета носителей заряда через базу. Гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ) на основе переходов в AlGaAs -GaAs или Si -Ge позволяют значительно повысить ряд важных параметров, таких, как предельная частота (частота отсечки), (β-фактор, сопротивление базы и т. п. по сравнению с обычными кремниевыми биполярными транзисторами.

Обсуждая возможности создания транзисторов новых типов, следует особо отметить еще один очень интересный квантовый эффект, а именно так называемое резонансное туннелирование. При самом простом описании диоды с резонансным туннелированием (RTD), действующие на основе этого эффекта, представляют собой квантовую яму, окруженную двумя потенциальными барьерами, достаточно тонкими для того, чтобы через них могло осуществляться туннелирование электронов. Время пролета электронов через такую гетероструктуру чрезвычайно мало, вследствие чего устройства на основе RTD обладают исключительным быстродействием и могут работать при частотах порядка 1 ТГц. Объединяя RTD с биполярным или полевым транзистором, можно создать так называемые транзисторы с резонансным туннелированием (RTT). В этих транзисторах структура с резонансным туннелированием инжектирует горячие электроны (т. е. электроны с высокой кинетической энергией) в активную область транзистора, что позволяет создавать так называемые транзисторы на горячих электронах (НЕТ).

Снижение характерных размеров приборов в нанометровый диапазон приводит к заметному уменьшению числа электронов, соответствующих прохождению электрического сигнала через прибор. Эта тенденция неизбежно подводит к созданию так называемых одноэлектронных транзисторов (SET). Характеристики одноэлектронных транзисторов определяются эффектом кулоновской блокады, проявляющимся в нульразмерных полупроводниковых структурах, типа квантовых точек. Электронный ток через квантовую точку в одноэлектронном транзисторе, соединенном с выводами посредством туннельных переходов, позволяет контролировать поток электронов «поштучно» подачей сигнала на электрод, который в данном случае ведет себя подобно вентилю (затвору) транзистора.

транзистор гетеропереход резонансный туннелирование

Статья в тему

Безопасность в Internet
Несанкционированный доступ к информации в компьютерных сетях превратился сегодня в одну из серьезнейших проблем, стоящих на пути развития телекоммуникационной среды и информационной инфраструктуры общества. Страны, где вычислительные системы и компьютерные сети проникли во все сферы человеческой дея ...

Главные разделы