Биполярные транзисторы на гетеропереходах

Основной целью конструкторов гетеропереходных биполярных транзисторов является обеспечение максимального значения коэффициента усиления β при возможно более высоких рабочих частотах. Максимальная рабочая частота зависит от многих факторов, в число которых входят геометрические размеры и степень легирования областей эмиттера, базы и коллектора.

Для повышения значений β необходимо, чтобы значения двух важных параметров системы (а именно коэффициент усиления по току α и коэффициент инжекции эмиттера γ) были максимально близки к единице (упомянутые параметры являются стандартными при описании биполярных транзисторов). Из этих требований сразу вытекает, что степень легирования эмиттера должна быть намного выше, чем базы. При этом, однако, следует учитывать, что очень высокая степень легирования полупроводника уменьшает в нем ширину запрещенной зоны, например, при степени легирования 1020 см-3 ширина запрещенной зоны уменьшается на 14%, что приводит к уменьшению коэффициента инжекции носителей из области эмиттера в область базы. Поэтому почти сразу после изобретения биполярных транзисторов с однородными переходами Шокли предложил изготовлять эмиттер транзистора на основе полупроводников с более широкой запрещенной зоной, что должно было уменьшить число носителей, инжектируемых из базовой области в область эмиттера, и тем самым повысить общий коэффициент инжекции эмиттера. Позднее, в 70-х годах началось коммерческое производство биполярных транзисторов на гетеропереходах (НВР).

На рис. 3, а показана разница, возникающая в зонной структуре npn-транзисторов с гетеро- и гомопереходами. Следует особо отметить, что в последнем случае (рис.3, б) ширина запрещенной зоны эмиттера превышает ширину зоны базы, вследствие чего барьер для инжекции электронов из эмиттера в базу (еVn) оказывается ниже соответствующего значения для дырок (eVp, что и проявляется в значительном повышении коэффициента β. Даже небольшое изменение высоты барьера может очень сильно влиять на процесс инжекции, который описывается квазиэкспоненциальной зависимостью от высоты барьера.

Рис. 3. Зонная структура при поляризации в активной зоне (а) транзистора на гомопереходе и (б) гетеропереходного биполярного транзистора (НВТ)

Действительно, коэффициент β пропорционален отношению концентрации легирующей примеси в эмиттере и базе, а также члену, exp(ΔEg/kT)где ΔEg - разность между большей шириной запрещенной зоны в эмиттере и меньшей - в базы. При комнатных температурах (когда kТ ~ 0,026 эВ) небольшая разница в значениях ΔEg позволяет значительно изменить величину коэффициента β. Сказанное позволяет считать, что гетеропереходные биполярные транзисторы предоставляют богатые возможности для создания транзисторов с высокой степенью легирования базы, малым сопротивлением базы и малым временем пролета электронов через базовую область. Кроме того, можно даже уменьшать степень легирования базы, вследствие чего должна уменьшаться паразитная емкость, связанная с переходом эмиттер - база. Одновременное уменьшение сопротивления базы и емкости перехода эмиттер-база очень важно для повышения высокочастотных рабочих характеристик приборов на основе описываемых гетеропереходных биполярных транзисторов.

Другой важной особенностью гетеропереходов является возможность создания гетеропереходных биполярных транзисторов с базой переменного состава, в которых ширина запрещенной зоны постепенно уменьшается от эмиттера к коллектору (рис.4 , а). В такой системе создается внутреннее электрическое поле, позволяющее ускорять электроны при прохождении базовой области и тем самым дополнительно повышать быстродействие транзисторов. В предельном случае, когда область коллектора такого транзистора также изготовлена из полупроводника с широкой запрещенной зоной (как показано на рис.4, б), пробивное напряжение на переходе база - коллектор может быть значительно увеличено. Кроме того, такие структуры (называемые двойными гетеропереходными биполярными транзисторами, DHBT) позволяют менять местами эмиттер и коллектор, что значительно расширяет возможности конструирования различных интегральных схем.

Гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ) обычно создаются на основе полупроводниковых соединений АшВV, что обусловлено хорошими характеристиками гетеропереходов в структурах AlGaAs -GaAs и высокой подвижностью электронов. Типичные НВТ обычно имеют длину базы около 50 нм и являются высоколегированными (порядка 1019 см-3). Такие транзисторы обычно имеют рабочую частоту около 100 ГГц, что значительно выше соответствующих параметров для кремниевых биполярных транзисторов. Дальнейшее повышение высокочастотных характеристик связано с использованием гетеропереходов в системах InGaAs- InAIAs и InGaAs- InP, что позволяет получать рабочие частоты до 200 ГГц. Очень ценной особенностью НВТ на основе полупроводников класса является то, что они легко интегрируются в одну схему, включающую как электронные, так и оптоэлектронные приборы. На этой основе уже началось производство так называемых оптоэлектронных интегральных схем (OEIC), включающих в себя полупроводниковые лазеры, что представлялось невозможным в рамках привычных, кремниевых технологий.

Статья в тему

Роль, значения и функции электропитающих устройств
Развитие телекоммуникационной сети базируется на внедрении новой электронной аппаратуры, надежная и качественная работа которой во многом предопределяется возможностями электропитающих устройств (ЭПУ) и токораспределитель сетей предприятий, а также источников вторично э ...