Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 7_Полупроводниковые приборы для СВЧ-электроники
.pdf
6.10 |
Диоды Ганна |
Если в диодах Ганна толщина кристалла превышает 200 мкм, то колебания, как правило, получаются некогерентными. Это обусловлено наличием в кристаллах различного рода структурных дефектов, на которых могут зарождаться домены.
Если требуется получить частоту более 1 ГГц, то толщина кристаллов у диодов Ганна на GaAs не должна превышать 100 мкм.
Для перевода электрона из центральной долины в боковую необходимо некоторое время и расстояние, что ограничивает снизу толщину кристалла. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную частоту колебаний в генераторах Ганна (для GaAs не более 50 ГГц).
Часто в диодах Ганна используют не пролетный режим работы, а режим ограничения накопления пространственного заряда (ОНПЗ). К диоду кроме Uсм прикладывается и переменное напряжение, снимаемое с колебательной системы, в которую включен диод.
В этом режиме частота колебаний определяется не временем пролета домена через кристалл, а частотой резонатора. Частота колебаний в таких диодах на GaAs может достигать 100 ГГц. На InP частоты колебаний достигают 170 ГГц, а на GaN, – 3 ТГц.
6.11Транзисторы с высокой подвижностью электронов
Для повышения быстродействия ПТ длину канала необходимо уменьшать. Поскольку ОПЗ в основном находится в p-области, это может привести к смыканию ОПЗ со стороны стока и истока.
Поэтому канал надо легировать, но примеси уменьшают подвижность носителей в канале. Решение – ПТ на основе гетероструктуры.
Зонная структура электронно-дырочного перехода гомогенного и гетерогенного перехода
Из-за разрыва энергетических зон в гетеропереходе образуется потенциальная яма для электронов в узкозонном (нелегированном !) полупроводнике. Образуется канал HEMT-транзистора. Если создать поле вдоль канала, то по нему будет протекать ток.
6.12Транзисторы с высокой подвижностью электронов
Особенность такой структуры – высокая концентрация и подвижность электронов в канале. Толщина канала обычно менее 10 нм. Поверхностная концентрация носителей для GaAs–AlxGa1-xAs около 1012 см–2, что примерно соответствует объемной концентрации в 1019 см–3. Это называется двумерным электронным газом (ДЭГ). Для гетероструктуры GaN–AlxGa1-xN концентрация обычно на порядок выше.
Подвижность электронов для нелегированного GaAs в слое ДЭГ на уровне 6500 см2/(В·с), а в сильно легированном GaAs – всего 1500 см2/(В·с).
Структура транзистора и зонная диаграмма НЕМТ-транзистора на GaN
6.13Транзисторы с высокой подвижностью электронов
Активной областью НЕМТ-транзистора является гетеропереход из двух в i-GaN и i-AlGaN. Важно, что кристаллы GaN и AlGaN имеют полярную природу, поэтому их границе происходит спонтанная поляризация с образованием поверхностных зарядов. В результате NS в канале велика.
Спейсер толщиной 1–3 нм служит для увеличения разрыва зон, что препятствует переходу электронов из канала в легированный слой n-AlGaN.
Вся структура HEMT-транзистора выращивается на подложке, в качестве которой используют кремний, сапфир и карбид кремния. По совокупности параметров кремний наиболее технологичен, но у него не согласуются параметры решетки и ТКЛР. У сапфира рассогласование решеток также велико, к тому же у сапфира невысокая теплопроводность. Наиболее предпочтительными является подложки из карбида кремния SiC, но они обладают высокой стоимостью.
На сегодняшний день HEMT-транзисторы на основе GaN-GaAlN представляются наиболее перспективным компонентами СВЧ-электроники. В качестве примера можно привести НЕМТ-транзистор на GaN с выходной мощностью свыше 176 Вт, рабочим напряжением 63 В, КПД 54% при усилении 12,9 дБ на частоте 2,1 ГГц.
6.14 |
Гетеропереходные биполярные транзисторы |
Биполярные транзисторы (БТ) должны обладать высоким значением β, который зависит от коэффициента инжекции γ. Для повышения γ эмиттер легируют значительно сильнее базы. Но это чревато негативными последствиями. Если же базу легировать слабо, то это увеличит ее сопротивление и уменьшит, тем самым, быстродействие БТ.
Решение проблемы – использовать эмиттерны гетеропереход.
Зонная структура гетеропереходного транзистора с широкозонным эмиттером.
Из-за разрыва зон барьеры для электронов q∙φкn, переходящих из эмиттера в базу, и для дырок q∙φкр, переходящих в обратном направлении, различны (φкn < φкр).
Структура SiGe-транзистора с варизонной базой. При уменьшающейся ΔEg в базе возникает внутреннее электрическое поле, ускоряющего электроны при их движении в базе, что повышает быстродействие HBT.
Частота HBT на SiGe достигает 100 ГГц.