27. Способы повышения предельной частоты и мощности транзистора. Сравнение материалов для изготовления транзисторов: кремний, арсенид галлия, карбид кремния, нитрид галлия, фосфид индия, алмаз.
Способы повышения предельной частоты и мощности транзистора.
Рисунок 1 – Структура полевого транзистора с барьером Шоттки
Рассмотрим малосигнальную эквивалентную схему ПТШ, учитывающую паразитные емкости:
Рисунок 2 – Эквивалентная схема ПТШ
- входная емкость,
- емкость обратной связи. Граничная
частота – частота, при которой комплексная
амплитуда входного тока равна комплексной
амплитуде выходного тока
,
или же:
(пусть обратная связь отсутствует,
значит
);
Отсюда видно, что граничная частота f обратно пропорциональна индуктивности и сопротивлению затвора, емкости затвор-канал, сопротивлению и индуктивности истока и прямо пропорциональна проводимости канала. Для улучшения частотных свойств имеет смысл уменьшать эти параметры, уменьшая размеры затвора и истока, а также увеличивать проводимость канала, увеличивая подвижность носителей заряда. Подвижность можно увеличить, уменьшив длину канала. Таким образом, будет происходить меньше актов столкновения носителей заряда с кристаллической решеткой полупроводника.
Сравнение материалов для изготовления транзисторов: кремний, арсенид галлия, карбид кремния, нитрид галлия, фосфид индия, алмаз.
Сравним характеристики материалов, из которых изготавливается ПТШ:
Таблица 1
Характеристика материала |
Si |
GaAs |
GaN |
6H-SiC |
4H-SiC |
C, (алмаз) |
1. Ширина запрещенной зоны, эВ |
1,12 |
1,42 |
3,4 |
3,03 |
3,26 |
545 |
2. Критическая напряженность поля, кВ/см |
300 |
400 |
3000 |
2500 |
2200 |
10000 |
3. Подвижность, см2/(В*cек) |
1300 |
8500 |
1500 |
260 |
500 |
2000 |
4. Дрейфовая скорость, 105 м/cек |
1,0 |
2,0 |
2,7 |
2,0 |
2,0 |
2,7 |
5.Теплопроводность, Вт/(m*K) |
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 |
|
Из таблицы видно, что при создании мощных приборов наиболее подходят карбид кремния и нитрид галлия. Эти материалы имеют достаточно высокую максимальную температуру работы, при этом большую по сравнению с другими материалами критическую напряженность поля. Карбид кремния имеет достаточно большую теплопроводность, использование этого материала может значительно упростить теплоотвод в мощных приборах.
Из домашнего задания №3. Вариант 1
Тенденция использования в современных транзисторах GaN, InP, SiC, алмаз С
Основной причиной поиска новых материалов для транзисторов стало необходимость повышения мощности, повышения рабочих температур и увеличения быстродействия. Разберем основные отличия новых материалов по сравнению с традиционными Si, Ge и GaAs.
Нитрид галлия GaN является прямозонным полупроводником типа А3В5. Его ширина запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 3.4 эВ, что на 2 эВ больше, чем у GaAs. Благодаря этому повышается рабочая температура, на которой может работать транзистор. Чем больше рабочая температура, тем больший ток можно пустить через структуру и тем больше критическая напряженность поля, при которой происходит пробой. Таким образом увеличивается мощность и частота, что активно используется в СВЧ-технике.
Фосфид индия InP имеет небольшую ширину запрещенной зоны (1.27 эВ при комнатной температуре), поэтому работа с большими мощностями невозможна. Однако он обладает наибольшей скоростью насыщения и низким уровнем шумов, что позволяет использовать его в схемах, где необходимо быстродействие (например, НЕМТ-транзисторы).
Карбид кремния SiC является непрямозонным полупроводником типа А4В4. Его ширина запрещенной зоны составляет от 3.28 до 3.03 эВ в зависимости от политипа. Его высокие рабочие температуры, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность позволяет работать с большими мощностями, недостижимыми для других полупроводников.
Алмаз С обладает самой большой шириной запрещенной зоны (5.4 эВ), при которой материал все еще можно использовать в качестве полупроводника. Он обладает очень большим напряжением пробоя, хорошей теплопроводностью и высокой подвижностью носителей заряда. Благодаря этим качествам его можно использовать в очень мощной СВЧ-электронике.
Из домашнего задания №3. Вариант 2.
GaN, SiC, C
Эти материалы позволили создавать приборы, работающие в верхней части микроволнового диапазона 100...200 ГГц. Их применение и сокращение размеров активной области до размеров порядка 0,05...0,1 мкм привело к возможности получения вакуумного переноса носителей, подобного процессу переноса в вакуумных приборах. Также эти материалы относятся к широкозонным (GaN, SiC), за счет их использования на порядок повышается выходная мощность полупроводниковых усилителей и генераторов в микроволновом диапазоне. В настоящее время разработаны HEMT-транзисторы на основе GaN, способные отдавать мощность до 100 Вт в диапазоне частот до 6 ГГц. На этих транзисторах можно разрабатывать усилители с выходной мощностью до нескольких кВт.
InP
Этот материал характеризуется высокой низкополевой подвижностью, большей чем у GaAs скоростью насыщения. Применение InP в гетероструктурных биполярных транзисторах дает возможность получать большую разницу ∆Wn и ∆Wp. Таким образом удается поднять уровень легирования в базе, что позволяет не только уменьшить толщину базы, но и существенно снизить ее паразитное сопротивление. В целом это приводит к увеличению критической частоты.