2.3. Определить частоту генерации лпд и дг с бегущим доменом при длине активной области.

Дано:

Решение:

ЛПД:

ДГ:

Ответ:

0.5 Балл

Задача №3.

Транзисторы

1. Сравните максимально возможную толщину базы Биполярного транзистора и длину затвора Полевого транзистора при работе на частоте . Оцените угол пролета в обоих случаях. Свяжите с решением задачи №3 из 1-го задания.

2. Сравните преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом. Какова должна быть толщина высоколегированной области HEMT c , если контактная разность потенциалов равна . На какое расстояние может сместиться электрон от положения равновесия в этом слое при Т=300К?

3. Обоснуйте тенденции использования в современных транзисторах таких материалов как GaN, InP, SiC, алмаз С, используя понятия: ширина запрещённой зоны, низко-полевая подвижность, максимальная скорость дрейфа, постоянная кристаллической решётки.

4. Нарисуйте (качественно) входные и выходные ВАХ трех ПТБШ с одинаковыми размерами, уровнем легирования, но изготовленными из Si, GaN, GaAs. Обоснуйте зависимости. Как изменится характеристики, если увеличить ширину затвора?

5. Нарисуйте и обоснуйте семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном графике. Объясните, почему ПТБШ, несмотря на высокую электронную температуру носителей на выходе, относят к малошумящим приборам?

При анализе используйте решение задачи №6 из первого задания.

3.6. Как связаны НЧ шумы с технологией изготовления транзистора?

3.7. Нарисуйте мало-сигнальную эквивалентную схему ПТБШ. Чем такая схема лучше или хуже S-параметров?

3.1. Сравним максимальную возможную толщину базы Биполярного транзистора и длину затвора полевого транзистора при работе на частоте . Оценим угол пролета в обоих случаях.

Дано:

Решение:

Полевой транзистор:

,

где – длина затвора, – время дрейфа под затвором.

Тогда:

Биполярный транзистор:

,

где – коэффициент диффузии, время диффузии носителей через базу биполярного транзистора.

Материал транзистора GaAs, тогда:

Длина затвора полевого транзистора больше, чем толщина базы биполярного транзистора при работе на заданной частоте.

Коллекторный переход БТ обеднен носителями и обладает диэлектрическими свойствами. Поэтому к нему можно применить понятие наведенного тока.

,

– время полета носителей в коллекторном переходе.

,

– характеристическая частота.

В рабочей области частот , тогда

Для полевого транзистора:

Ответ:

3.2. Сравним преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом. Определим какова должна быть толщина высоколегированной области HEMT c , если контактная разность потенциалов равна На какое расстояние может сместиться электрон от положения равновесия в этом слое при Т=300К?

Определим толщину высоколегированной области HEMT.

Дано:

Решение:

Ответ:

Рассмотрим преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом.

В HEMT-транзисторах используется свойства гетероперехода. Этот переход образуется тонкими монокристаллическими слоями двух полупроводников с близкой кристаллической структурой и разной шириной запрещенной зоны. На рисунке 23 показана область 3 с минимальной энергией электронов. В эту область попадают свободные электроны ионизированных атомов примеси из полупроводника с более широкой запрещенной зоны. Из-за этого произойдет разделение электронов и атомов примеси. Электроны в области 3 способны быстро перемещаться без столкновений с примесями. На рисунке 24 показан пример такой структуры.

Рис. 23. Равновесная энергетическая диаграмма

гетероперехода

Рис. 24. Пример конструкции HEMT транзисторов

Высокая подвижность электронов и малая наблюдается практически во всем диапазоне , так как достигает насыщения скорость электронов в канале и наблюдается линейная зависимость . Важным достоинством являются меньшая плотность поверхностных состояний на границе между Al_1-xGa_xAs и диэлектриком, и большая высота барьера Шоттки (φ ≈ 1 В).

Благодаря уменьшению плотности поверхностных состояний и, следовательно, уменьшению отрицательного поверхностного заряда и толщины обедненных областей в промежутках исток-затвор и затвор-сток, HEMT-транзисторы обладают меньшими паразитными сопротивлениями. Вследствие большей высоты барьера Шоттки, для HEMT-транзисторов возможно (до 0,8В) прямое напряжение U_зи, рабочие напряжения на затворах которых могут изменяться лишь в узком диапазоне из-за ограничения сверху напряжением управляющего перехода Ме – п/п.

Преимущества HEMT-транзисторов:

• Высокая скорость работы

• Низкий уровень шумов

• Высокая переходная проводимость

Ограничение в HEMT-транзисторах:

Несмотря на преимущества, HEMT-транзисторы имеют ограничение в виде недостаточно большого произведения мощности и быстродействия (P*τ_з). Это означает, что невозможно одновременно достичь как высокой мощности, так и высокой скорости работы.

Транзисторы с баллистическим транспортом:

Отличительной чертой транзисторов с баллистическим транспортом является то, что длина свободного пробега носителей заряда значительно превышает размер канала транзистора. Это позволяет носителям двигаться без рассеяния.

Рассмотрим процесс резкого возрастания скорости носителей при подаче импульса. Резкий рост скорости носителей заряда обусловлен малым временем его действия. За это время влияние рассеяния носителей незначительно.

При достижении нужного значения скорости необходимо убрать электрическое поле. После выключения электрического поля электроны будут продолжать двигаться в направлении поля по инерции. Таким образом, носители заряда преодолевают большие расстояния за короткое время по сравнению со стационарным случаем.

Таким образом, могут быть достигнуты большие значения коэффициента усиления за счет того, что рекомбинации электронов в базе незначительны, рассеяний нет.

Из-за высокой скорости инжектируемых электронов время пролета базы в баллистических транзисторах на горячих электронах составляет доли пикосекунд, что говорит о высоком быстродействии приборов. Явным плюсом является отсутствие дробового шума при низкой температуре.

Для моделирования транспорта электронов в активной области транзисторов необходимо учитывать как диффузионную, так и дрейфовую компоненту токов носителей заряда – что заставляет применять специальные громоздкие подходы. Недостатком является работа при определенных температурах, учет кулоновского взаимодействия.

Теперь посчитаем возможное смещение электрона от положения равновесия при T = 300 К. Предположим, что электрон колеблется с плазменной частотой и смещается от положения равновесия на дистанцию, не превышающую радиус Дебая. Посчитаем этот радиус.

Ответ:

3.3. Обоснуйте тенденции использования в современных транзисторах таких материалов как GaN, InP, SiC, алмаз С, используя понятия: ширина запрещённой зоны, низко-полевая подвижность, максимальная скорость дрейфа, постоянная кристаллической решётки.

Перспективным является направление создания приборов на основе полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны. Большая ширина запрещенной зоны даёт преимущества: больше значение пробивного напряжения, также больше значение рабочего напряжения, выше рабочая температура.

GaN.

Широкозонный полупроводник, у которого совокупность его свойств позволяет добиться рабочего напряжения транзистора более 60 В, частоты до 70 ГГц, мощности до 200 Вт.

У этого материала высокое значение удельной плотности выходной мощности, высокая рабочая температура (до 500-600 ); малый шум в диапазоне частот 1-25 ГГц; возможно создание гибридных и монолитных микросхем. Высокая низкопольная подвижность обеспечивает высокую скорость переключения транзисторов.

SiC.

Активно осваиваемый материал. Но у него есть недостаток – невозможность создания гетероструктур. Низкая подвижность носителей заряда является причиной более низких рабочих частот (не более 4-7 ГГц). Однако высокая плотность мощности и большая теплопроводность являются плюсами, заставляющими развивать данную технологию.

InP.

Монолитные интегральные схемы и устройства на основе этого материала являются хорошим решением для устройств, где требуется низкое значение шума. InP обладает высоким значением подвижности носителей, как и большой шириной запрещенной зоны. HEMT-транзисторы на основе InP имеют низкий коэффициент шума, высокую выходную мощность, малое рабочее напряжение и высокий КПД. Например, смесительные и PIN-диоды, выполненные по этой технологии, имеют очень малые потери и высокую граничную частоту.

Алмаз.

У этого материала выдающиеся характеристики. При T = 300 K у него ширина запрещенной зоны – 5,47 эВ. Подвижность электронов и дырок достигает 1800 и 1200 см²/В*с. С использованием этого материала можно создавать МДП-структуры с удельной плотностью мощности до 27 Вт/мм, напряжением пробоя порядка 10 МВ/см и рабочими частотами до 100 ГГц. Также алмаз обладает высокой теплопроводностью, больше чем арсенида галлия в разы. Это обусловлено высокой постоянной кристаллической решетки. Алмаз можно применяться в качестве теплопроводящих подложек.

Главная проблема использования алмаза заключается в сложности его легирования. Легирующие примеси алмаза: бор, азот, фосфор. Однако в структуре алмаза энергии активации доноров очень высокие, при комнатной температуре примесь не будет активироваться. Единственной подходящей примесью является бор.

3.4. Нарисуем (качественно) входные и выходные ВАХ трех ПТБШ с одинаковыми размерами, уровнем легирования, но изготовленными из Si, GaN, GaAs. Обоснуем зависимости. Как изменится характеристики, если увеличить ширину затвора?

Рис. 25. Входная ВАХ

Пороговое напряжение отпирания можно определить как

,

– диэлектрическая проницаемость полупроводника; – высота барьера Шоттки.

Размеры и уровень легирования одинаковые, так что пороговое напряжение отпирания для каждого из материалов будет зависеть от его диэлектрической проницаемости. У GaAs наибольшая диэлектрическая проницаемость (13,1), у Si немного меньше (12), а у GaN наименьшая – (9,5).

Рис. 26. Выходная ВАХ

Так как параметры транзисторов одинаковые, то ток стока определяется параметрами п/п (подвижностью электронов). Чем больше подвижность, тем больше наклон линейного участка. Напряжение пробоя же определяется шириной запрещенной зоны. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше напряжение пробоя.

Если мы будем увеличивать ширину затвора, будет получаться так, что затвор будет становиться ближе к стоку. Из-за такого изменения в структуре уменьшится пороговое напряжение отпирания транзистора. Также при тех же напряжениях будет получаться больше выходной ток.

3.5. Нарисуйте и обоснуйте семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном графике. Объясните, почему ПТБШ, несмотря на высокую электронную температуру носителей на выходе, относят к малошумящим приборам?

В учебнике на стр. 546 представлено семейство входных и выходных ВАХ и коэффициент шума. Оно же отображено на рисунке 27.

Рис. 27. Семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума

Воспользуемся формулой Ван-дер-Зила.

Когда ток стока достигает насыщения, скорость в подзатворной части транзистора почти не зависит от напряжения затвора и стока. В таком случае скорость будет стремиться к скорости насыщения, коэффициент диффузии от электронной температуры не будет значительно изменяться. Чем меньше ток, тем меньше и шум. Если же учитывать влияние буферного слоя, то зависимость коэффициента шума будет с минимумом. Это объясняется тем, что при закрывании транзистора электроны разогреваются в начальной части транзистора и начинают дрейфовать в буферном слое, а это приводит к увеличению шума.