Учебное пособие 1794

м/с). Эмиттер, база и коллектор обладают одним типом проводимости, поэтому в базу инжектируют основные для нее носители заряда. Благодаря высокой скорости электронов в базе и малым значениям емкостей эмиттерного и коллекторного переходов в результате отсутствия диффузионных составляющих токов, обусловленных неосновными носителями, транзистор обладает высоким быстродействием. Время пролета базы составляет доли нс.

Используя энергетические диаграммы зоны проводимости (рис. 3.3), объясним принцип работы такого прибора в схеме с общим эмиттером.

а)

Eп = qUп − энергия дна зоны проводимости, ЕФ − уровень Ферми в области электрода, Е1 − энергетический уровень в квантовой яме двухбарьерной квантовой структуры, UБЭ − падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, UКЭ − падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора

Рис. 3.3. Энергетические диаграммы зоны проводимости транзисторной структуры на горячих электронах

с резонансным туннелированием

51

б)

в)

Eп = qUп − энергия дна зоны проводимости, ЕФ − уровень Ферми в области электрода, Е1 − энергетический уровень в квантовой яме двухбарьерной квантовой структуры, UБЭ − падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, UКЭ − падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора

Рис. 3.3. Энергетические диаграммы зоны проводимости транзисторной структуры на горячих электронах с резонансным туннелированием (продолжение)

52

При напряжении UБЭ = 0 уровень ЕФ находится ниже уровня Е1 (рис. 3.3, а), поэтому резонансной инжекции электронов из эмиттера не происходит и ток коллектора IК = 0 при

UКЭ = 3, 3,5 и 4 В (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Зависимости IК от UБЭ при разных UКЭ для РТТ на горячих электронах

Однако ток IК отличен от нуля, когда UКЭ = 2,5 В. Это обусловлено малой высотой потенциального барьера в коллекторном переходе, при котором существует термоэмиссия электронов из базы в коллектор и прохождение над коллекторным барьером электронов, туннелирующих с более высоких уровней в квантовой яме, чем Е1. Низкий коллекторный барьер обеспечивает большие токи, а его уменьшение при понижении UКЭ приводит к увеличению тока IК.

Важно отметить, что понижение UКЭ вызывает снижение быстродействия транзистора, поскольку коллектор будет собирать не только быстрые баллистические, но и медленные рассеянные электроны. Для повышения быстродействия транзистора необходимо увеличить длину свободного баллистического

53

пролета электронов и, соответственно, уменьшить частоту их столкновений, а это может быть достигнуто уменьшением толщины базового слоя. Однако сильно утончать базовый слой нельзя, так как в этом случае происходит значительное уменьшение предельного коллекторного напряжения. Поэтому подбор правильного размера базы осуществляется с учетом компромисса между временем баллистического пролета электронов и предельным коллекторным напряжением.

Инжекция электронов в базу начинается только тогда, когда UБЭ = 2Е1/q. В этом случае электроны резонансным образом туннелируют через квантовую яму, без рассеяния проходят базу, а затем пролетают над коллекторным барьером, к которому приложено положительное напряжение (рис. 3.3, б). Через коллектор протекает ток. Когда UБЭ > 2Е1/q, условия резонансного туннелирования не соблюдаются (рис. 3.3, в), вследствие чего коллекторный ток резко уменьшается (рис. 3.4).

Полевой транзистор с резонансным туннелированием представляет собой прибор, в котором одновременно реализуются усилительные свойства транзистора и мультистабильность двухбарьерной квантовой структуры. Такой прибор конструктивно выполняется последовательным соединением полевого транзистора с РТД (рис. 3.5, а, б), а его типичные стоковые характеристики имеют вид, показанный на рис. 3.5, в.

54

а)

б)

Рис. 3.5. Структура (а), условное обозначение (б) и стоковые характеристики (в) полевого транзистора с РТД, используемым в качестве стока

55

в)

Рис. 3.5. Структура (а), условное обозначение (б) и стоковые характеристики (в) полевого транзистора с РТД, используемым в качестве стока (продолжение)

Существуют также разработки полевых транзисторов, в которых РТД используется в качестве истока, затвора или канала. Добавление РТД к обычным полевым транзисторам приводит к улучшению параметров и повышению быстродействия этих транзисторов, а также наделению их новыми свойствами.

Приборы со структурой, показанной на рис. 3.5, а, очень привлекательны для практики, поскольку на их основе можно развязывать разные логические элементы в интегральных схемах. В цифровых логических схемах широкое применение могут найти вертикальные резонансно-туннельные полевые транзисторы (рис. 3.6), отличающиеся от предыдущего типа прибора хорошей согласованностью и совмещенностью характеристик гетеротранзистора и РТД.

56

Рис. 3.6. Структура вертикального резонансно-туннельного полевого транзистора

57

Здесь РТД с вертикальной структурой встроен между сильнолегированными областями истока И и стока С, а напряжение на затворе З регулирует поток электронов от И к С путем изменения положения резонансных уровней в РТД относительно уровня Ферми в истоке. Затвор является кольцевым, что также дает возможность регулировать током стока.

Структура вертикального транзистора получена молеку- лярно-пучковой эпитаксией на полуизолирующей подложке GaAs. Она включает в себя структуру РТД и две смежные с РТД структуры, служащие источниками электронов («электронные резервуары»). Структура РТД является не легированной и состоит из двух потенциальных барьеров AlAs шириной

1,7 нм и квантовой ямы In0,1Ga0,9As шириной 5 нм, расположенной между ними. Применение InGaAs взамен GaAs обу-

словливает уменьшение пикового напряжения. Смежная с РТД структура представляет следующую последовательность слоев: нелегированный слой GaAs шириной 7 нм, низколегированный слой GaAs (n− = 5∙1016 см-3) шириной 200 нм и высоколегированный слой GaAs (n+ = 4∙1018 см-3) шириной 500 нм. Нелегированные слои (спейсеры) по границам РТД используют для более полного согласования параметров решетки составляющих структуры РТД, то есть для повышения качества межслойных границ. Низколегированные слои обеспечивают увеличение эффективности управления током прибора, а высоколегированные слои − омические контакты с выводами. Омические контакты И и С изготовлены из сплава Ni/Ga/Au, а их размеры принимают значения от 0,5 до 2 мкм.

Вертикальный транзистор содержит истоковый мезавыступ (мезадиод) высотой более 660 нм и малой площади, который окружает обедненная область затвора Шоттки, сформированного методом напыления (рис. 3.6, б). Ширина обедненной области под затвором зависит от высоты барьера Шоттки, напряжения затвор-исток и концентрации примеси в смежном полупроводниковом слое. При этом эффективное управление эффективной площадью истокового мезавыступа, а значит, и про-

58

текающими через него токами достигается с использованием напряжения затвор-исток UЗИ при низкой концентрации примеси. Следует отметить, что на рис. 3.6, б представлены не все слои, а только основные области и электроды, показанные на рис. 3.6, а.

Несмотря на симметричность структуры транзистора, его ВАХ не симметричен при изменении полярности напряжения, приложенного между истоком и стоком, что связано с перераспределением потенциалов и напряженностей электрических полей. Вольт-амперная характеристика в случае, когда напряжение приложено плюсом к стоку, а минусом к истоку (UСИ > 0), показана на рис. 3.5, в. Видно, что ток стока IC c увеличением UСИ проходит через максимум. Максимальное значение тока наблюдается при UСИ ≈ 0,5 В, так как при этом напряжении происходит резонансное туннелирование электронов через РТД из-за совпадения уровней Ферми и размерного квантования. Подача на затвор отрицательного относительно истока напряжения (UЗИ < 0) приводит к тому, что электроны уходят из канала, канал обедняется носителями заряда, и ток стока уменьшается. Чем больше UЗИ, тем меньше IC. При разных UЗИ вольт-амперные характеристики располагаются близко друг к другу и выходят на насыщение при больших UСИ.

3.2. Контрольные вопросы

1.В каких приборах можно применять эффект резонансного туннелирования?

2.В чем разница между РТД и РТТ? Классифицируйте РТТ по конструктивному признаку.

3.Баллистический транзистор. Что это такое и чем он отличается от обычного биполярного транзистора?

4.Нарисуйте структуру и объясните принцип работы РТТ на горячих электронах. Как можно повысить его быстродействие?

5.Как можно объяснить ВАХ полевого транзистора с резонансным туннелированием?

59

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 8 ПРИБОРЫ НА ЭФФЕКТЕ КВАНТОВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

4.1. Краткие теоретические сведения

Электронные волны при распространении в ряде полупроводников сохраняют фазовую когерентность на длине в несколько микрон. Взаимодействие этих волн в полупроводниковой области длиной, меньшей длины фазовой когерентности, сопровождается интерференцией. Если управлять интерференцией с помощью электростатического или магнитного полей, можно получить квантовый интерференционный транзистор. Различают кольцевой квантовый интерференционный транзистор и квантовый интерференционный транзистор, основанный на электронном согласующем волноводе.

4.1.1. Кольцевой квантовый интерференционный транзистор

Конструкция кольцевого квантового интерференционного транзистора представляет собой квантово-размерное кольцо из проводника или полупроводника, на одну половину которого нанесен слой диэлектрика, а над этим слоем сформирован управляющий электрод − затвор (рис. 4.1, а).

60