МНВЧ

Лекция 10

СВЧ транзисторы (особенности и характеристики)

Первые транзисторы могли работать на частотах, не превышающих нескольких сот килогерц, но по теоретическим расчетам эти приборы должны были работать и на гораздо болей высоких частотах, даже в СВЧ-диапазоне, при условии уменьшения их геометрических размеров. В частности, было установлено, что частотный диапазон транзистора ограничивается временем переноса носителей электрического заряда через транзистор и скоростью изменения электрического заряда, накопленного в транзисторе. Для расширения частотного диапазона следовало уменьшать ширину базы биполярного транзистора или длину затвора полевого транзистора, что позволило бы сократить время переноса, а также уменьшать активную площадь прибора для уменьшения емкости, или накопление заряда. Эти усовершенствования требовали гораздо более жесткого контроля всех трех размеров прибора.

Усовершенствование методов введения легирующих примесей в материал позволило улучшить контроль размеров в направлении нормали к поверхности прибора. Вначале примеси вводили путем легирования полупроводникового кристалла в процессе его роста или путем вплавления в полупроводник примеси или металла, содержащего примесь. Позднее стали использоваться методы, допускающие гораздо более высокую точность контроля размеров, такие, как диффузия или ионное легирование. Эти методы позволяют контролировать глубину введения примесей с точностью 0,1 мкм и менее.

Повышение точности контроля поверхностных размеров прибора было достигнуто благодаря разработке технологии маски­рования окислом и фотолитографии; последняя в настоящее время позволяет выделять области шириной менее 1 мкм. Даль­нейшие успехи в этом направлении связаны с использованием электронно-лучевых методов литографии, обеспечивающих раз­решающую способность менее 0,1 мкм.

Повышение точности контроля размеров позволило расши­рить частотный диапазон транзисторов вплоть до СВЧ-области спектра.

В будущем можно ожидать расширения частотного диапазона обоих типов транзисторов за счет дальнейшего усовершенствования техники диффузии, ион­ного легирования и электронной литографии.

Теоретический предел улучшения электрических параметров транзистора определяется физическими свойствами полупровод­ника. Например, в то время как размеры прибора уменьшаются с целью его распространения в область СВЧ, напряжение оста­ется на уровне, достаточном для получения требуемой выход­ной мощности. В пределе дальнейшее уменьшение размера в на­правлении, параллельном электрическому полю, становится невозможным из-за опасности наступления пробоя в полупро­воднике. Было показано, что максимальная частота про­порциональна произведению E_Bv_s, где Е_В − величина поля при пробое, a v_s − скорость дрейфа носителей заряда, ограниченная рассеянием. Дрейфовая скорость в Ge, Si и GaAs достигает насыщения примерно на уровнях 0,6∙10⁷; 0,8∙10⁷ и 2∙10⁷ см/с соответственно, однако поля пробоя в Si и GaAs примерно в четыре раза выше, чем в Ge. Частотный предел, определяемый произведением E_Bv_s, не был получен на практике, однако из технологических соображений при изготовлении биполярных СВЧ-транзисторов предпочтение отдается кремнию.

Преимущество кремния состоит главным образом в том, термически выращенная двуокись кремния может использоваться как маска при диффузии примесей п- и р-типа, а также на ней можно получать очень тонкие рисунки путем травления. Собственные окислы Ge и GaAs не так стабильны, как двуокись кремния, поэтому для этих полупроводников в качестве защитной маски или изолирующего диэлектрического покрытия часто использовали слои двуокиси кремния или нитрида кремния, полученные методом химического осаждения из паровой фазы. Однако эти слои уступали по качеству термически выращенной двуокиси кремния.

К числу других физических свойств полупроводника, влияющих на параметры транзисторов, относятся подвижности электронов и дырок, диэлектрическая постоянная и теплопроводность. При данных уровнях легирования подвижности электронов и дырок определяют время переноса носителей в базе, сопротивление базы и распределенное сопротивление коллектора в биполярном транзисторе, а также сопротивления истока, cтока и канала в полевом транзисторе. Чем меньше значения этих параметров, тем выше коэффициент усиления и ниже уровень шума транзистора на СВЧ. Исходя из этих соображений, GaAs n-типа является наиболее предпочтительным материалом для изготовления СВЧ-транзисторов, поскольку в этом соединении подвижность электронов в слабом поле примерно в четыре раза больше, чем в кремнии. Так, например, входная мощность полевого транзистора на GaAs должна быть в четыре раза меньше, чем у аналогичного прибора на Si, что дает возможность получить на арсениде галлия более высокий собственный коэффициент усиления. При данных уровнях легирования и приложенных напряжениях диэлектрическая постоянная определяет емкость, которая должна быть достаточно малой для работы на СВЧ. Кремний и арсенид галлия имеют более низкую диэлектрическую постоянную, чем германий, что дает им некоторое преимущество в этом отношении. Для отвода тепла, выделяющегося в транзисторе, важно иметь хорошую теплопроводность, особенно в случае мощных приборов, и Si в этом отношении в два раза превосходит GaAs. По этой причине кремний обычно используется для изготовления мощных транзисторов. Если транзистор в процессе работы слишком разогревается, то ухудшаются его СВЧ-параметры и может понизиться егo срок службы.

Наиболее важное требование, предъявляемое к полупровод­никовому материалу, состоит в том, чтобы технология изготовления приборов на его основе была достаточно разработана и позволяла бы изготовлять СВЧ-транзисторы с высоким процентом выхода и хорошей надежностью. Это основная причина особого положения кремния в области производства биполярных СВЧ-транзисторов. Глубину диффузии мышьяка, фосфора и бора в кремнии можно контролировать с точностью до 0,1 мкм, используя при этом планарную технологию, а достижимые на практике уровни легирования оказались особенно подходящими для создания n-р-n-транзисторов. Такие n-p-n-транзисторы с узкой базой имеют хорошие СВЧ-свойства благодаря малому времени переноса электронов через базу.

С другой сто­роны, благодаря более простой технологии удалось с большим успехом реализовать присущие GaAs преимущества в СВЧ-области на основе полевых транзисторов с барьером Шотки в качестве затвора.

Рассмотрим частотные свойства БТ и ПТ на основе анализа их эквивалентных схем.