dsd13-gos / dsd-13=СВЧ / Конспект / 9.ПТ с управл pn-переходом

60

5. Полупроводниковые приборы СВЧ

5.1. Полупроводниковые материалы группы А³В⁵

К группе А³В⁵ принадлежат GaAs , AlAs, InP, и некоторые другие полупроводниковые материалы. Наиболее освоен в микроэлектронике GaAs.

Основные преимущества GaAs перед Si:

1. Высокая подвижность электронов (при К см²/Вс).

2. Широкая запрещенная зона (1,43 эВ). Как следствие — высокое удельное сопротивление нелегированного (или компенсированного) материала подложки ( Омсм)

3. Возможность превращения п- GaAs в полуизолятор под действием бомбардировки легкими ионами (Н⁺, В⁺).

4. Прямые межзонные переходы (энергетические экстремумы в зоне проводимости и в валентной зоне — в центре зоны Бриллюэна). Как следствие — прямые межзонные переходы, излучательный механизм рекомбинации, возможность создания оптоэлектронных приборов (включая лазеры).

5. Отрицательная дифференциальная подвижность в сильных электрических полях — эффект Ганна.

6. Повышенная радиационная стойкость.

Недостатки GaAs:

1. Высокая стоимость.

2. Отсутствие стабильного собственного окисла.

3. Низкая подвижность дырок (при К см²/Вс).

4. Низкая теплопроводность (в 2,5 раза хуже, чем у Si).

5. Хрупкость.

5.2. Полевой транзистор с затвором Шоттки на основе GaAs

(ПТШ, MESFET – Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor)

см^-3 ; см²/ В.с; мкм.

Активный слой выращивается методом эпитаксии, либо создается ионной имплантацией (Se). Контактные n⁺-области создаются ионной имплантацией.

Принцип действия: модуляция толщины канала напряжением

(в МДПТ — модуляция концентрации носителей в канале).

Пороговое напряжение: ,

где В — барьерный потенциал контакта Шоттки,

— напряжение перекрытия канала.

Особенности ВАХ:

1. Затворный ток при В.

2. Ввиду высокой подвижности насыщение дрейфовой скорости электронов в канале происходит при полях Кв/см (в Si — при Кв/см.

В крутой области ВАХ: ,

где ; ,

— начальное сопротивлени канала.

Ток насыщения определяется соотношениями:

;

,

где . Приближенное решение:

;

;

.

Основные преимущества ПТШ:

1). Очень высокое быстродействие ( ГГц).

2). Высокая удельная крутизна ВАХ ( мСм/мм).

3). Малый шум в диапазоне СВЧ.

4). Широкий температурный диапазон (до 200^оС).

Основные области применения на СВЧ:

1). Малошумящие усилители.

2). Генераторы СВЧ мощности (в том числе для ФАР).

3). Смесители (на 2-затворных ПТШ).

5.3. Гетеропереходный полевой транзистор на основе GaAs

(ГПТ, НЕМТ – High Electron Mobility Transistor)

Изготавливаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Главная идея — отделить электроны в канале от ионов примеси.

В результате повышается их подвижность (до ~ 7000 см²/Вс).

эВ.

В слое n⁺-Al_0,3Ga_0,7As электронов нет — “диэлектрик”.

Тонкий спейсер — для устранения поверхностных дефектов.

Канал очень тонкий (< 10 нм). Поэтому энергетические уровни в канале квантуются, и носители не могут двигаться в направлении оси х – 2-мерный электронный газ (ДЭГ).

Отличия от ПТШ:

1). Примерно вдвое более высокая подвижность носителей — выше предельная частота. При 77 К 60 000 см²/Вс !

2). Напряжение модулирует не толщину канала, а концентрацию элеткронов в канале (как в МДПТ).

Пороговое напряжение:

, где В, .

Преимущества перед ПТШ:

1). Более высокое быстродействие (на 30-40%, при 77К — в 2-3 раза).

2). Большая удельная крутизна ВАХ (в 1,5 - 2 раза).

5.4. Гетеропереходный биполярный транзисторы

(ГБТ, НВТ – Heterojunction Bipolar Transistor)

ГБТ на основе GaAs

В обычном транзисторе

;

;

; .

Для обеспечения высокой эффективности эмиттера (т.е. высокого коэффициента усиления тока базы В) необходимо выполнение условия

.

В результате: 1) значительное сопротивление базы , снижение предельной частоты , эффект оттеснения (снижение усиления с ростом тока); 2) прокол базы при малых напряжениях ; 3) модуляция толщины базы напряжением (эффект Эрли) и снижение выходного сопротивления.

В гетеропереходном транзисторе

; ;

; ,

где эВ, 10⁵ !

При этом базу можно легировать значительно сильнее эмиттера. Сопротивление базы снижается на 1…2 порядка.

Предельная частота и области применения ~ те же, что у ГПТ.

Дополнительное преимущество — очень высокая крутизна ().

B E C

ГБТ на основе структуры Ge-Si

B E B C

SiO₂

n-Si

SiO₂

SiO₂

p

p⁺-Ge_xSi_1-x

p⁺

p⁺

n

n⁺

SiO₂

SiO₂

SiO₂

n⁺

S

p⁺

Здесь база — узкозонный материал Ge_xSi_1-x.