3.2 Преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне hemt-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом
Сравнение HEMT и транзисторов с баллистическим транспортом
В HEMT используется контакт полупроводников с разной шириной запрещенной зоны, то есть гетеропереход. В результате такого контакта на границе образуется квантовая яма, в ней уровень ферми соответствует вырождению, что означает преобладающую концентрацию носителей в этой яме, в результате в качестве канала полевого транзистора выступает тонкая прослойка двумерного электронного газа (рис.11). Сопротивление такого канала предельно низкое, так как электроны в тем перемещаются без столкновений с примесями, что означает очень высокую подвижность носителей, поэтому кроме высокой проводимости обеспечивается высокое быстродействие. Проводимость канала, как и обычном ПТ регулируется с помощью толщины обедненного слоя барьера Шоттки.
Рисунок 11 – Гетеропереход в HEMT [6]
В транзисторах с баллистическим транспортом отсутствие рассеяния носителей достигается за счет того, что длина пробега носителей в канале много больше размеров канала. Поэтому обычный полевой транзистор тоже может быть баллистическим при достаточно коротком затворе, однако это труднодостижимо из-за технологического аспекта изготовления такого транзистора.
Транзисторы с баллистическим транспортом можно реализовать, используя углеродные нанотрубки, например, графен, которые обладают баллистической проводимостью, или используя гетероструктуры [6] в которых двумерный электронный газ обладает высокой подвижностью, и как следствие большой длиной свободного пробега носителей в канале, что аналогично HEMT.
Баллистические транзисторы на основе нанотрубок схожи по параметрам с HEMT: малая потребляемая мощность, терагерцевые частоты, малые шумы, однако HEMT из-за использования гетероструктуры GaAs/AlGaAs работают только при низких температурах, при которых обеспечивается высокая подвижность в канале. При этом транзисторы на основе нанотрубок обладают немного большими паразитными сопротивлениями.
Толщина высоколегированного слоя HEMT
Дано:
Решение:
Толщину высоколегированного слоя в HEMT можно найти исходя из того, что канал полностью обедняется при нулевом напряжении на затворе, под действием контактной разности потенциалов, то есть
(5)
где
– диэлектрическая проницаемость
полупроводника,
для высоких частот [7]
Тогда толщина высоколегированного слоя в HEMT
Расстояние, на которое может сместится электрон в таком слое при температуре 300 К является длина Дебая. Слой высоколегированного донорного п/п содержит твердотельную плазму электроны, из которой перемещаются в канал на границе с узкозонным п/п. Такая плазма характеризуется плазменной частотой, с которой заряды отклоняются от положения равновесия и длиной Дебая, на которую они отклоняются, поэтому
Тем
самым расстояние, на которое может
сместится электрон при температуре 300
К составляет
3.3 Тенденции использования в современных транзисторах таких материалов как GaN, InP, SiC, алмаз с
GaN
Нитрид галлия обладает большой шириной запрещенной зоны 3.4 эВ [1], что является перспективным в создании теплостойких и мощных транзисторов. Из-за того, что транзисторы из нитрида галлия могут сохранять работоспособность при более высоких температурах и напряжениях, чем транзисторы из арсенида галлия, этот материал становится всё более привлекательным для создания приборов, применяемых в СВЧ усилителях мощности. Созданные на основе кристаллов нитрида галлия радиоэлектронные компоненты имеют существенно большую теплопроводность, если сравнивать технологические показатели с характеристиками приборов, построенных по другим технологиям. Это делает ненужной систему охлаждения, позволяя уменьшить габариты и массу оборудования [8].
Так же к достоинствам этого материала относят стойкость к ионизирующим излучениям, высокие значения подвижности [6]. К недостаткам относят высокий положительный температурный коэффициент сопротивления, который приводит к худшему распределению тока между параллельно включёнными транзисторами, и малый порог сопротивляемости перегрузкам [8].
InP
Фосфид индия обладает достаточно большой шириной запрещенной зоны 1.34 эВ [1], что меньше, чем у GaN, однако имеет более стабильные теплофизические параметры. По высокочастотным свойствам превосходит арсенид галлия. Транзисторы на основе InP являются наиболее оптимальными по своим параметрам. МОП-структуры на основе InP обладают значительно меньшей плотностью состояний, чем другие аналогичные структуры [9].
Кроме того, InP рассматривается как возможная замена кремнию при создании солнечных элементов благодаря большой ширине запрещенной зоны и прямому характеру межзонных переходов.
SiC
Карбид кремния обладает большей, чем в InP шириной з/з, но меньшей чем в GaN. Поэтому имеет хорошие теплофизические свойства, необходимые для работы на больших мощностях. Однако из-за малой подвижности носителей (до 500 см2/В·с) может применяться только на частотах до 8 ГГц.
По сравнению с приборами на основе кремния и арсенида галлия приборы из карбида кремния имеют высокие допустимые рабочие температуры (до 600 °C), более устойчивы к воздействию радиации, обладают стабильностью электрических характеристик при изменении температуры и отсутствием дрейфа параметров во времени [6].
За счет снижения потерь мощности применение карбид-кремниевых транзисторов является привлекательным в фотоэлектрических преобразователях, а также в преобразователях генераторов энергии из органического топлива в будущем.
К недостатку в транзисторных технологиях можно отнести проблемы с сопряжением элементов, основанных на диоксиде кремния, что усложняет развитие n-МОП транзисторов на SiC [6].
Алмаз
Алмаз обладает самой большой шириной запрещенной зоны 5.45 эВ [1] по сравнению с остальными материалами, используемыми в СВЧ. Такая особенность алмаза означает самые высокие теплофизические характеристики (теплопроводность, рассеиваемая мощность, температуры), при этом подвижность носителей в алмазе больше, чем в нитриде галлия.
Является одним из самых перспективных материалов для использования в качестве широкозонного полупроводника в металлоксидных полевых транзисторах. Выдающиеся физические свойства алмаза позволили бы таким устройствам работать при экстремально высоких температурах, напряжениях и значительно уменьшить потери энергии. Мощность MESFET на алмазе в диапазоне частот 5–100 ГГц должна быть в 30 раз выше, чем у транзистора на GaAs, и примерно в четыре раза выше, чем у транзистора на карбиде кремния. Однако, несмотря на многолетние усилия реализовать электронные приборы на алмазе, его потенциал как материала для формирования активных электронных приборов до сих пор использован недостаточно. Это обусловлено в первую очередь сложностью его легирования, отсутствием надежного источника материала требуемого качества. Размеры природных кристаллов алмаза невелики (как правило, несколько миллиметров, камни размером более 10 мм редки и крайне дороги). Но главное, кристаллы алмаза содержат неконтролируемые дефекты и примеси, что приводит к огромному разбросу их параметров [10].
Новые подходы к созданию полевых транзисторов связаны с открытием возможности получения в алмазе проводимости р-типа путем гидрогенизации (легирования водородом) его поверхности.