24. Динамическое сопротивление полупроводникового образца. Слоистые структуры. Способы получения отрицательного динамического сопротивления.
Рассмотрим образец полупроводника c длиной L, площадью поперечного сечения S, и статическими компонентами поля E0 и заряда n0, постоянными по длине образца.
Рис. 1. Продольное сечение образца
Определим сопротивление образца:
где R и X –
активное и реактивное сопротивление,
-
комплексные амплитуды переменного тока
и напряжения.
Напряжение определяется как
Для нахождения поля используется уравнение Пуассона:
Предположим, что на катоде (z=0) существует переменное поле, тогда
где
-комплексная
амплитуда заряда,
-
максвелловская частота релаксации,
- постоянная распространения.
Переменная составляющая плотности полного тока:
на катоде
Плотность тока и поле на катоде связаны законом Ома
где
– проводимость катодного контакта.
Пользуясь выражениями для тока,
преобразуем выражение для
:
Используя выражение для и , получим удельное сопротивление образца:
Проанализируем полученное выражение. Первое слагаемое характеризует влияние условий на катоде на общее сопротивление, второе слагаемое – влияние свойств объема полупроводника, а третье – пролетных эффектов в этом объеме.
Так, при
,
т.е. в случае равенства проводимостей
контакта и удельной проводимости образца
При
для любого
выполняется
.
В этом случае получается отрицательное
сопротивление только за счет свойств
объема.
Если проводимость
(омический контакт),
При
где
- угол пролета.
Отсюда следует, что для образца с
омическим контактом и
,
сопротивление положительно
,
Если контакт не омический
,
то возможности получения отрицательного
сопротивления расширяются. При
:
где
-
емкость образца на единицу площади
поперечного сечения,
– инжектированный из катода ток.
Обозначим
где
-
сдвиг фаз инжектированного
и полного
токов;
-
отношение их амплитуд (коэффициент
инжекции). Выразим отношение токов через
проводимость контакта:
Отсюда следует, что коэффициент инжекции определяется свойствами контакта. Перепишем выражение для Z через :
Анализируя отметим, что при отсутствии
запаздывания в инжекции (
)
активное сопротивление всегда больше
или равно нулю для
.
Для
возможно получение
при некоторых углах пролета.
На рисунке представлены зависимости
от угла пролета при четырех значениях
угла запаздывания инжекции. Нормирующее
сопротивление
Рис. 2. Зависимость активного сопротивления образца от угла пролета при разных углах запаздывания инжекции
Запаздывание инжекции может быть получено за счет различных физических эффектов. Наиболее известные из них: эффект лавинного умножения, инжекция носителей заряда через барьер Шоттки.
Способы получения отрицательного динамического сопротивления
Для получения отрицательного динамического сопротивления необходимо запаздывание инжекции, которое можно быть получено различными способами.
Одним из способов реализации запаздывания инжекции является использование барьерного контакта . Таким контактом может служить барьер металл-полупроводник (барьер Шоттки) смещенный в обратном направлении.
Рис. 3. Эквивалентная схема барьерного контакта
Соотношение между плотностями токов в такой схеме
где
,
– удельные параметры барьера
Коэффициент и фаза запаздывания инжекции определяются как
Отсюда следует, что обратно смещенный
барьер Шоттки обеспечивает максимальный
угол запаздывания инжекции
при условии
, но при этом
, т.е. амплитуда инжектированного тока
мала. Увеличение коэффициента инжекции
достигается при
,
при этом
и
Оптимальным вариантом является
. При этом
,
.
Запаздывание инжекции можно осуществить и при омическом контакте, для этого образец выполняется из двух разнородных частей. При этом первая область обеспечивает необходимое запаздывание инжекции для второй.
Рис. 4. Схема обеспечения запаздывания инжекции при контакте двух разнородных образцов
Для первой области имеем
Для второй области
Для омического контакта
,
.
При
суммарное сопротивление
При
и
реальная часть сопротивления отрицательна,
следовательно структура обладает
усилительными свойствами.
Обеспечить условие
можно путем подбора материалов областей
с разной диэлектрической постоянной
или с различной скоростью дрейфа
.
На практике сделать это затруднительно,
так как скорости насыщения материалов
отличаются не более чем в 2,5 раза.
Условие
можно осуществить, выбрав также разную
площадь поперечного сечения областей,
при этом
.
Такого рода структуры получили название
слоистых.
Рис. 5. Структуры, реализующие отрицательное динамическое сопротивление
Структура, показанная на рис. a, состоит из слоев с различным значением ε. На краях структуры омические контакты. Угол пролета в каждой области π радиан
Структуры, представленные на рис. б, в, имеют изменяющееся по длине поперечное сечение. Это изменение может быть скачкообразным (рис. б) или плавным (рис в).
Параллельное соединение структур последнего типа дает цилиндрическую конструкцию (рис. г). Инжектирующей поверхностью является внешний цилиндр.
На рис. д представлена полупроводниковая
структура планарного типа, где увеличение
емкости инжектирующей области прибора
достигается введением дополнительного
металлического электрода. На этот
электрод не подается потенциал, то есть
она является диодом. , Если на дополнительный
электрод подать управляющий сигнал, то
эта структура превращается в полевой
транзистор.
Слоистые структуры
На практике изготовить такую структуру
практически невозможно. Найти материалы,
согласованные по постоянной кристаллической
решетки, но с разными
и
практически невозможно. Реальные
слоистые структуры можно реализовать
в однородном полупроводнике, но с
неоднородным изменением статического
поля
.
При этом получаются слои с разной
величиной
.
25. Классификация микроволновых транзисторов. Генеалогическое дерево транзисторов. Гомо и гетероструктурные транзисторы: транзисторы с широкозонным эмиттером, с проницаемой базой, HEMT-структуры. Топология, параметры и характеристики. Транзисторы с баллистическим транспортом.
Рис. 1. Классификация микроволновых транзисторов
Систематизируем многообразие существующих транзисторов, модифицируя топологию простейшей структуры прибора. Это позволит установить «родственную» генеалогическую связь различных приборов и понять направления совершенствования транзисторов. Анализ начнем с планарного полевого транзистора с барьером Шоттки.
Рис. 2. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки
Для рассмотрения используем канал n-типа. Омические контакты на истоке и стоке обеспечиваются созданием слоя вырожденного полупроводника под металлом соответствующих контактов.
Сделаем из 2-х подобных приборов «сэндвич», сложив их электродами друг к другу. Соединим параллельно несколько структур. Получим прибор, представляющий собой объемную структуру полевого транзистора с несколькими затворами.
Рис. 3. Структура с несколькими затворами
Повернем образовавшуюся структуру на 90о, получим прибор, у которого ток проходит поперек слоев материала, а не вдоль как у первоначальной конструкции. Если теперь сделать затворы в виде тонкой металлической сети, то получим транзистор с проницаемой (металлической) базой (Permeable Base Transistor).
Рис. 4. Транзистор с проницаемой базой
Во всех рассмотренных структурах используется металл для обеспечения экранировки области управления от области, где идет отбор энергии у потока носителей. Ввиду большой концентрации свободных электронов в металле, такую экранировку можно осуществить очень тонким слоем этого металла. Эту же функцию экранировки можно обеспечить и материалом другого типа проводимости, т.е. p-типа. Учитывая существенно меньшую концентрацию дырок в реальных полупроводниках, чем концентрация электронов в металле, толщина экранирующей области должна быть существенно увеличена. Минимальная ее длина соответствует длине Дебая.
Такая структура носит название биполярный транзистор. Название электродов естественно меняются на принятые в технической литературе: сток здесь называется коллектором, исток — эмиттером, затвор — базой. Рассмотренные топологические прототипы могут быть выполнены с помощью различных технологических приемов.
Рис. 5. Биполярный транзистор
Получающиеся приборы иногда получают и свои характерные имена. К примеру, на рисунке. представлена структура прибора, который разработчиками назван как транзистор со статической индукцией (SIT — Static Induction Transistor).
Рис. 6. Транзистор со статической индукцией
Предельно уменьшая размеры такой структуры, можно достичь условия бесстолкновительного переноса носителей под затвором. Такой токоперенос получил название «баллистический транспорт», а приборы — транзисторы с баллистическим транспортом (BTT — Ballistic Transport Transistors).
В HEMT-транзисторах (транзисторы с высокой подвижностью электронов) используется контакт двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны, причем широкозонный материал легирован сильнее, чем узкозонный. За счет явления диффузии часть свободных носителей перейдет из области сильного легирования в область слабого легирования. При таком переходе образуется потенциальный барьер на границе, препятствующий дальнейшей диффузии.
В низколегированной области перешедшие электроны образуют потенциальную яму, которая ограничивает их движение в направлении нормальном к плоскости перехода. Такие носители получили название двумерного электронного газа или 2D-газа. Ширина образовавшейся потенциальной ямы может быть соизмерима с длиной волны де Бройля для электронов, что обусловит квантование уровней энергии в этой яме. При этом плотность заселенности энергетических уровней будет для разных энергетических уровней различна. Если к такой границе приложить внешнее напряжение, то количеством зарядов в этом слое можно управлять.
Рис. 7. Структура HEMT-транзистора.
26. Полевой транзистор микроволнового диапазона:
А. Особенности конструкции, ВАХ, динамические параметры. Эквивалентная схема.
Б. Предельная частота, связь ее с физико-топологическими параметрами структуры. Параметры рассеяния.
Конструкция:
Рассмотрим ПТ с барьером Шоттки (ПТШ):
Рисунок 1 – Полевой транзистор с барьером Шоттки
Рисунок 2 – Полевой транзистор с барьером Шоттки
подложка 1 из полу изолирующего арсенида галлия
буферный высокоомный слой 2, выполненной также из GaAs
эпитаксиальный проводящий канал 3
-типа
с концентрацией носителей
высотой A
омические контакты, образованные
-областями
4
металлическими пленками 5 и 6
канал 3 соединяется с выводам истока и стока
слой металла, который служит электродом затвора 7, который на границе с -каналом образует барьер Шоттки.
Особенности конструкции:
затвор выполнен в виде барьерного контакта типа Шоттки (позволяет исключить инжекцию дырок в канал и связанную с ней диффузионную емкость)
наличие полуизолирующей подложки, которая при высоком качестве исходного материала практически не влияет на величину порогового напряжения и вид ВАХ.
выводы делают в виде коротких полосок, удобных для сочленения с микрополосковыми линиями передачи
исток и сток имеют омические контакты, с точки зрения получения потока электронов они неразличимы, т.е. в такой конструкции, в отличие от триода, при изменении полярности приложенных напряжений на противоположную, прибор будет сохранять свои свойства;
на границе затвор-полупроводник образуется обедненный слой (ОС)
ВАХ:
Рисунок 3 – Форма ВАХ и обедненного слоя при насыщении тока в ПТШ (левый рисунок)
Зависимость
тока стока
от напряжения исток-затвор
при фиксированных напряжениях на стоке
,
т.е
называется входной характеристикой.
Зависимость тока стока
от напряжения сток-исток
при фиксированных напряжениях на затворе
,
т.е
называется выходной характеристикой
Динамические параметры:
входное сопротивление
внутреннее сопротивление транзистора
крутизна стокозатворной характеристики
напряжение отсечки
Эквивалентная схема:
Рисунок 4 – Эквивалентная схема ПТШ
Предельная частота, связь ее с физико-топологическими параметрами структуры:
Частотный диапазон работы прибора зависит от паразитных реактивных параметров (паразитное сопротивление и паразитная емкость). Увеличение этих параметров сужает диапазон.
Важно
отметить, что элементы схемы имеют
достаточно хорошую физическую
интерпретацию и могут быть рассчитаны,
исходя из физико-топологических
параметров прибора. Хорошая физическая
обусловленность элементов дает адекватное
отражение ВЧ свойств транзистора в
широком частотном диапазоне при
неизменных параметрах схемы. В случае
использования схемы в верхней части
рабочего диапазона частот обычно
проводят коррекцию числовых значений
элементов схемы методами параметрического
синтеза, используя измеренные параметры
рассеяния в качестве целевой функции
(см. ниже). Более того, подобные эквивалентные
схемы с успехом используются для
нелинейного анализа. Зависимость
параметров от приложенного напряжения
может быть выражена аналитически. Это
относится, прежде всего, к основным
параметрам:
.
Для общего случая эти величины могут
быть комплексными, ввиду задержки тока
на изменение приложенного напряжения
на электродах:
G – крутизна
Граничная частота
Универсальным
способом корректного описания линейного
режима транзистора, как элемента
микроволнового тракта, является
использование параметров рассеяния –
S-параметров. Этому способствует высокая
точность измерений этих параметров,
обеспечиваемая современными векторными
анализаторами цепей. Эти параметры
определяют связь нормированных падающих
и
отраженных
волн на входе и выходе транзистора
(странный вопрос, абзац, который начинается с важно отметить, стоит писать если хоть что то поняли, потому что я ничего не понял, но решил вставить, на всякий случай, вдруг это важно)
Параметры рассеяния:
