Транзисторы

1. Сравните максимально возможную толщину базы Биполярного транзистора и длину затвора Полевого транзистора при работе на частоте . Оцените угол пролета в обоих случаях. Свяжите с решением задачи №5 из 1-го задания.

Дано:

f= 15 ГГц

Решение:

Из материалов лекций известно, что:

При этом D – коэффициент диффузии. Для кремния (пусть транзистор будет сделан из него) D = 34 см²/с

Тогда получаем, что:

Время прохода подзатворной области определяется, принимая постоянство скорости носителей:

T = L / v_s,

где L – длина затвора. Находим максимальную длину:

Ответ: Ширина базы биполярного транзистора равна 0,48 мкм, а длина затвора полевого транзистора – 6,6 мкм. Связано это с тем, что скорость диффузии в биполярном транзисторе много меньше скорости дрейфа в полевом.

2. Обоснуйте тенденцию использования в современных транзисторах таких материалов как GaN , InP, SiC, алмаз С.

Приведем сравнение характерных параметров для основных полупроводниковых материалов, а именно: Si, GaAs, SiC, GaN. Полученные данные представлены в таблице № 1.

Таблица 1. Сравнение свойств полупроводниковых материалов.

Кристалл	Ширина запрещенной зоны	Критическая напряженность	Термическая проводимость	Подвижность электронов	Скорость насыщения
SiC	3,26	2	4,5	700	2	10
GaN	3?49	3,3	1,7	1500	1,5	9
GaAs	1,42	0,4	0,5	6000	1	12,8
Si	1,1	0,3	1,5	1300	1	11,8

Ширина запрещенной зоны GaN и SiC примерно в 3 раза больше, чем у кремниевой технологии, что обуславливает возможность работы транзистора при высоких уровнях температуры и радиации. Теоретически, транзисторы на основе GaN с шириной запрещенной зоны 3,5 эВ должны сохранять работоспособность при температурах до 500°С. На практике же в настоящее время максимальная температура стабильной работы транзисторов составляет более 200°С.

GaN:

         Рекордная удельная плотность мощности – одно из самых выдающихся достижений в области создания ВЧ GaN компонентов нового поколения. Максимальная критическая напряженность электрического поля (в 10 раз большая, чем у кремния) позволяет реализовать пробивные напряжения в 100-300 В и поднять рабочее напряжение стока до 50-100 В, что в сочетании с высокой плотностью тока обеспечивает удельную выходную мощность транзисторов 3-10 Вт на 1 миллиметр ширины затвора, что на порядок превышает удельную выходную мощность GaAs транзисторов.      За счет существенно большей теплопроводности как эпитаксиальных пленок, так и подложки-носителя, а также за счет втрое большей ширины запрещенной зоны в транзисторах на основе нитрида галлия достигаются большие значения мощности от одного компонента, при этом уменьшаются размеры конечных изделий и устраняется необходимость применения систем охлаждения.

Сочетание высокой концентрации электронов проводимости, высокой подвижности электронов и большей ширины запрещенной зоны дает возможность GaN-транзисторам достичь существенного снижения значения сопротивления канала во включенном состоянии. По сравнению с кремниевыми приборами в силовых транзисторах на основе GaN может быть достигнуто снижение более чем на порядок в диапазоне напряжений пробоя от 100 до 300 В. Это позволит GaN-транзисторам заменить Si и даже SiC транзисторы в силовых системах, где требуются приборы с высокими значениями рабочих токов и напряжениями 1000 В и выше. Применение GaN-транзисторов позволит снизить потребление энергии в системах запуска электродвигателей, защиты электросетей от перегрузок и неожиданных отключений. Кроме того, очень высокая концентрация электронов в области двумерного электронного газа в сочетании с приемлемой подвижностью электронов дает возможность реализации большой плотности тока транзистора и высокого коэффициента усиления. На основании выше изложенного можно указать преимущества устройств на GaN и SiC:

1). Миниатюризация разработанных устройств;

2). Высокий коэффициент усиления;

3). Надежность работы в условиях повышенных температур и радиации.

Данные характеристики являются определяющими для современных устройств, технологий, поэтому для их создания будут использоваться как GaN так и SiC.

InP:

Монолитные интегральные схемы и устройства на основе фосфида индия (InP) представляют собой весьма перспективное решение для малосигнальных модулей систем связи, где требуется малые уровни шума. В настоящее время проводятся широкие исследования устройств различных типов на предмет возможности их интеграции внутри одной микросхемы для создания более совершенных приёмо/передающих модулей. Устройства, выполненные на подложках этого типа, демонстрируют отличные характеристики и идеально подходят для телекоммуникационных приложений. Например, HEMT-транзисторы на основе InP имеют низкий коэффициент шума, высокую выходную мощность, малое ра-бочее напряжение, высокий КПД и очень высокое быстродействие. HBT-транзисторы на основе InP идеально подходят для использования в малошумящих генераторах и усилителях с высокими линейностью и КПД. Смесительные и PIN-диоды, выполненные по этой технологии, имеют очень малые потери и высокую граничную частоту. Всё это говорит о перспективности исследования возможности создания сверхвысокочастотного монолитного приёмо/передающего модуля на основе фосфида индия.

Источник: http://studall.org/all-908.html

С(алмаз):

В наше время большинство транзисторов основано на кремнии — этот материал обеспечивает оптимальное сочетание эффективности работы и стоимости прибора. Однако в некоторых условиях использовать кремниевые транзисторы невозможно: устройство быстро выходит из строя. Это происходит при воздействии экстремально высоких температур или уровней излучения, например, в космосе.

Транзистор на алмазе был бы намного более стойким, поэтому разработка метода его создания является актуальной задачей в мире полупроводниковой электроники. Японские физики создали прототип транзистора типа металл-оксид-полупроводник на искусственно выращенном алмазе (который выступал полупроводником).

Для работы затвора транзистора необходимо наличие изолятора (тонкой пленки диэлектрика) в строго определенных местах. Ранее основной проблемой было как раз точечное нанесение диэлектрика на алмаз. Исследователи решили эту проблему, выращивая изолирующую пленку из оксида иттрия прямо на поверхности алмаза при помощи электронно-лучевого испарителя.

Исследования показали, что алмазы в таком случае могут выдерживать высокое напряжение и повышенные температуры без изменения характеристик.

SiC:

Карбид кремния используется в сверхбыстрых высоковольтных диодах Шоттки, N-МОП-транзисторах и в высокотемпературных тиристорах. По сравнению с приборами на основе кремния и арсенида галлия приборы из карбида кремния имеют следующие преимущества:

• в несколько раз большая ширина запрещённой зоны;

• в 10 раз большая электрическая прочность;

• высокие допустимые рабочие температуры (до 600°C);

• теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у арсенида галлия;

• устойчивость к воздействию радиации;

• стабильность электрических характеристик при изменении температуры и отсутствие дрейфа параметров во времени.

(материал взят со следующего источника:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%B4_%D0%BA%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D1%8F#.D0.AD.D0.BB.D0.B5.D0.BA.D1.82.D1.80.D0.BE.D0.BD.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.BF.D1.80.D0.B8.D0.B1.D0.BE.D1.80.D1.8B)

Источник: https://chrdk.ru/news/shag-k-sozdaniyu-tranzistorov-na-almaze

3. Сравните преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом. Какова должна быть толщина высоколегированной области HEMT c , если контактная разность потенциалов равна

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей много больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или другими словами расстоянием между контактами делённое на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость электронов определяется фермиевской скоростью, а не дрейфовой скоростью, связанной с подвижностью носителей тока. Для реализации такого типа транзистора необходимо исключить рассеяние на дефектах кристалла в токовом канале (включая рассеяние на фононах), что можно достичь только в очень чистых материалах, таких как гетероструктура GaAs/AlGaAs.

Преимуществами являются:

• меньшие размеры;

• отсутствие дробового шума при низкой температуре;

• меньшая потребляемая мощность;

• более высокая (терагерцы) частота переключений.

(материал взят со следующего источника: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80)

Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) — полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП-транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (т. н. гетеропереход)]. Другие названия этих транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник и гетеропереходом. В зарубежной литературе их обозначают HEMT — High Electron Mobility Transistor, также в зависимости от структуры используются аналогичные названия: HFET, HEMFET, MODFET, TEGFET, SDHT.

Преимущества:

• Высокая подвижность электронов;

Псевдоморфный гетеропереход

Преимущества:

• улучшенная производительность;

Метаморфный гетеропереход

Преимущества:

• возможность выбора практически любой концентрации индия для создания канала, то есть прибор может быть оптимизирован для различных применений (низкая концентрация индия обеспечивает низкий шум, а высокая — большую степень усиления).

Основными недостатками ТВПЭ являются:

• инерционность затвора;

• подзатворный пробой.

(материал взят со следующего источника: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80_%D1%81_%D0%B2%D1%8B%D1%81%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%D1%8E_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%B2)

4. Нарисуйте (качественно) выходные и входные ВАХ трех ПТБШ с одинаковыми размерами, но изготовленными из Si, GaN, GaAs. Обоснуйте зависимости.

В связи с тем, что наши материалы отличаются по ширине запрещенной зоны, напряжения пробоя у ниx будут различные. У п/пр с большей запрещенной зонной большее пробивное напряжение.

Также на ход кривой ВАХ будет оказывать своё влияние различная подвижность носителей заряда. У кремния – 1300 см²/с, у нитрида галлия - 2000 см²/с, а у арсенида галлия– 8500 см²/с. Следовательно, наибольшее значение тока будет у арсенида галлия, а наименьшие – у кремния.

5. Нарисуйте семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном графике. Объясните, почему у ПТБШ хорошие шумовые характеристики при большой электронной температуре носителей.

При анализе используйте решение задачи №7 из первого задания.

Рис. 4. Семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном графике (из лекций)

Основные источники шума в этом транзисторе — тепловой шум в канале, индуцированный шум затвора и шум паразитных (пассивных) элементов.

Если мы возьмем симметричный транзистор, то у него будет минимум шума.

Следовательно, для уменьшения шумов нужно обеспечить симметричную структуру транзистора. Технология, которая используется при изготовлении ПТБШ позволяет уменьшить дефекты, т.е. улучшить шумовые характеристики.

Балл 2

Дополнительно: Нет расчета толщины пассивной области НЕМТ.