3. Обоснуйте тенденцию использования в современных транзисторах таких материалов как GaN, InP, SiC, алмаз с.

Наибольший интерес вызывают широкозонные п/п и гетероструктуры на их основе. Предпочтения при создании мощных транзисторов следует отдать структурам с использованием нитрида галлия (GaN). Он обеспечивает большую скорость дрейфа (около 2,7*10⁵ м/с), их скоростей насыщения (2,7*10⁷ см/с), а также высокую критическую напряжённость электрического поля (3,3*10⁶ В/см). При этом низкополевая подвижность хотя и снижена по сравнению с GaAs, но достаточно высока, существенно выше, чем у SiC.

На практике используются гетероструктуры с использованием комбинации представленных материалов. В частности, наиболее перспективной является структура GaN, AlGaN/GaN на SiC подложке (см. рисунок 20).

Рисунок 20 – Структура GaN транзистора

Исследование карбид кремниевой подложки упрощает решение вопросов теплоотвода в мощных приборах. В тех случаях, когда потребителю важна стоимость прибора, используют структуру именно на кремниевой подложке.

В наглядной форме на рисунках 21 и 22 представлены статические поле-скоростные зависимости, сравнение типовых рабочих режимов для трёх приборов: на кремнии, арсениде галлия и нитриде галлия. Из графика ясно видно, что мощность развиваемая приборами на GaN на порядок выше чем в GaAs.

Рисунок 21 – Зависимость скорости дрейфа от напряженности поля

Рисунок 22 –Сравнение типовых режимов работы Si, GaAs и GaN – транзисторов

Рисунок 22 наглядно показывает тот факт, что допустимые амплитуды тока и напряжения в приборах на основе GaN существенно превышают аналогичные параметры для кремниевых и арсенид галлиевых транзисторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых материалов для создания мощных приборов

Характеристика материала	Si	GaAs	GaN	6H-SiC	4H-SiC	C (алмаз)
1. Ширина запрещённой зоны, эВ	1,12	1,42	3,4	3,03	3,26	5,45
2. Критическая напряжённость элетрического поля, кВ/см	300	400	3000	2500	2200	10000
3. Подвижность, см^2/(В*с)	1300	8500	1500	260	500	2000
4. Дрейфовая скорость, 10^5 м/с	1	2	2,7	2	2	2,7
5. Теплопроводность, Вт/(кг*К)	1,5	0,5	1,5	4,9	4,9	22
6. Диэлектрическая проницаемость	11,9	12,5	9,5	9,66	10,1	5,5
7. Максимальная температура, К	300	300	700	600	600

4. Нарисуйте (качественно) входные и выходные вах трех птбш с одинаковыми размерами, уровнем легирования, но изготовленными из Si, GaN, GaAs. Обоснуйте зависимости.

Рисунок 3.3 – Входная (а) и выходная (б) ВАХ трех ПТБШ из разных материалов

ВАХ ПТБШ (выходная) в области до насыщения (линейный участок) описывается выражением:

Так как размеры транзисторов одинаковы, то ток стока будет определяться параметрами п/п, в данном случае подвижностью электронов. У арсенида галлия подвижность электронов гораздо выше, чем у кремния и нитрида галлия (Si – 1300 см²/с; GaN – 2000 см²/с; GaAs – 8500 см²/с). Поэтому наклон линейного участка характеристики (нарастание тока стока) больше. Напряжение пробоя определяется шириной запрещённой зоны. В данном случае самой большой шириной зоны обладает нитрид галлия (Si – 1,12 эВ; GaN – 3,4 эВ; GaAs – 1,42 эВ). Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше значение напряжения пробоя.

5. Нарисуйте и обоснуйте семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном графике. Объясните, почему ПТБШ, несмотря на высокую электронную температуру носителей на выходе, относят к малошумящим приборам?

При анализе используйте решение задачи №7 из первого задания.

Тепловой шум вызывается хаотическим движением носителей заряда в проводящей среде, создающим флуктуации тока и напряжения. Но ПТШ является прибором маломощным и имеющим хорошую температурную стабильность.

Фликкер-шум или 1/f-шум доминирует в области низких частот (f<1ГГц), его интенсивность возрастает примерно обратно пропорционально частоте. Источников этого шума являются произвольные локальные изменения электрических свойств материалов и их поверхностных состояний. Появляются также дробовые шумы токов утечки. Но эти шумы можно убрать совершенствованием технологии изготовления ПТШ с целью уменьшения естественных эффектов в п/п и на поверхности. Для это применяются покрытия поликристаллической пленкой GаАs, которые также улучшают стабильность параметров и надежность ПТШ.

Уменьшение длины завтора и совершенствование технологии получения барьеба Ме-п/п на затворе барьера токовый канал – буферный слой привело к снижению шумов. Совершенствование технологии изготовления барьера Шоттки привело к снижению плотности поверхностных состояний, что уменьшило уровень шума 1/f. Введение буферного слоя между полуизолирующей подложкой и каналом существенно ограничило миграцию ловушечных центров из полуизолирующей подложки в канал. В связи с этим существенно улучшилась временная стабильность усилительных свойств и шумовых характеристик в процессе эксплуатации, когда температура прибора существенно повышается, и ускоряются процессы нежелательной миграции.

У современных транзисторов уровень шума определяется в основном тепловым шумом канала и шумом паразитных сопротивлений затвора и истока. Вклад в коэффициент шума этих сопротивлений составляется до 40% от суммарного коэффициента шума, что является меньшей частью. Поэтому ПТШ считаются малошумящими приборами.

Обратимся к задаче №7 из задания 1:

Коэффициент шума составил 1,5 дБ, в то время как современные ПТБШ достигнут коэффициент шума 1,5…2 дБ в диапазоне 10…12 ГГц. Что показывает нам значительное преимущество над прибором в задаче, так как тот прибор необходимо охладить до 122,5 К.