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.

Решение

Найдем

В БТ:

где – коэффициент диффузии, время диффузии носителей через базу.

Для GaAs транзистора:

Подставим:

В ПТ [6]:

( – длина затвора, – время дрейфа под затвором).

определяется как

Выразим длину затвора:

Длина области для п/п прибора в решении задачи №3 из 1-го задания была

Таким образом, при работе на заданной частоте длина затвора ПТ больше, чем толщина базы БТ.

Теперь оценим углы пролета электрона.

ПТ:

Время пролета носителей в коллекторном переходе БТ:

– характеристическая частота. Для нее условие в рабочей области частот:

Угол пролета:

Ответ:

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?

Решение

Свои значения:

Вычислим толщину высоколегированной области HEMT .

При T = 300 К электрон может сместится на радиус Дебая. Колебания в твердотельной плазме канала происходят с плазменной частотой, в результате чего частицы смещаются на радиусы Дебая:

Ответ:

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

Рис. 22. Равновесная энергетическая диаграмма гетероперехода p^–GaAs – nAl_xGa_1-xAs

На рис. 22 показано, что в структуре HEMT реализуется переход носителей между двумя разными п/п с разной шириной запрещенной зоны – гетеропереход. Он наблюдается между тонкими монокристаллическими слоями двух п/п с близкой кристаллической структурой, но разной шириной запрещенной зоны.

Область 3 содержит электроны с минимальной энергией. В эту область скатываются свободные электроны из области 4 ионизированных атомов п/п примеси, у которой более широкая запрещенная зона. В результате произойдет разделение электронов и атомов примеси.

Рис. 23 – пример конструкции HEMT.

Рис. 23. Конструкция HEMT транзисторов

Достоинства [7, 8]:

+ малая плотность поверхностных состояний на границе Al_xGa_1-xAs и д/э

+ большая высота барьера Шоттки (φ ≈ 1 В)

+ быстродействие прибора

+ малый уровень шумов;

+ высокая переходная проводимость

Недостатки:

– произведение мощности на быстродействие невелико, т. е. либо выигрываем по мощности, либо по быстродействию, но не одновременно.

– рабочие напряжения на затворах изменяются в узком диапазоне, ограниченном сверху напряжением управляющего перехода Ме – п/п.

Транзистор с баллистическим транспортом отличается от HEMT тем, что длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора. Носители заряда движутся не рассеиваясь.

Во время действия импульса резко растет скорость носителя заряда.

Поле воздействует малое время и обеспечивает нужное значение скорости. Далее поле необходимо выключить электроны продолжат двигаться по инерции – баллистически.

Могут быть достигнуты большие коэффициенты усиления за счет того, что рекомбинации электронов в базе незначительны и нет рассеяний.

Благодаря высокой скорости инжектируемых электронов время пролета базы в баллистических транзисторах составляет доли пикосекунд.

Таким образом, транзисторы с баллистическм транспортом имеют плюсы:

+ нет рассеяний электронов

+ быстродействие

+ большие значения коэффициента усиления до

+ отсутствие дробового шума при низкой температуре

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.

Ответ

В микроволновой электронике очень актуально и интересно создание приборов на основе п/п с большой шириной запрещенной зоной, близких к д/э.

Преимущества широкой запрещенной зоны – большие значения пробивного и рабочего напряжения, а также высокая рабочая температура.

GaN

Данный полупроводник наиболее перспективный.

GaN имеет относительно широкую запрещенную зону (3,4 эВ). Транзисторы на нем имеют рабочее напряжение свыше 60 В, работают на частотах 70 ГГц, обеспечивают мощности до 200 Вт. Значения удельной плотности выходной мощности также высоки: . Рабочая температура – 500-600 . Шум низкий в диапазоне частот 1-25 ГГц.

GaN можно выращивать на кремниевых подложках. Также GaN имеет очень высокую критическую прочность электрического поля (около 3 МВ/см), что примерно в 10 раз выше, чем у кремния. Это означает, что устройства на основе GaN могут работать при более высоких напряжениях.

GaN обладает высокой низко-полевой подвижностью электронов (до 2000 см²/В·с) и дырок (до 1500 см²/В·с). Высокая подвижность обеспечивает низкое сопротивление и быструю передачу носителей заряда, что приводит к снижению потерь на переключение и повышению скорости транзисторов.

Максимальная скорость дрейфа в GaN также очень высока (до 2 × 10⁷ см/с для электронов и до 1 × 10⁷ см/с для дырок). Следовательно, уменьшается временя переключения и увеличивается частота работы транзисторов.

GaN имеет высокую постоянную кристаллической решётки (3,189 Å).

InP

InP имеет ширину запрещенной зоны 1,34 эВ, что больше, чем у кремния (1,12 эВ), но меньше, чем у карбида кремния (3,26 эВ). Это делает InP подходящим материалом для транзисторов, работающих в диапазоне от микроволновых до терагерцовых частот.

Низко-полевая подвижность носителей заряда в InP выше, чем в SiC, и сопоставима с подвижностью в кремнии. Это приводит к высокой эффективности и низким потерям проводимости в транзисторах на основе InP.

Максимальная скорость дрейфа носителей заряда в InP сопоставима с таковой в SiC и выше, чем в кремнии. Это позволяет транзисторам на основе InP работать на очень высоких частотах.

Постоянная кристаллической решетки InP близка к постоянной решетки GaAs, что делает возможной гетероэпитаксию этих материалов. Это позволяет создавать сложные структуры транзисторов, такие как высокоэлектронная подвижность транзисторов (HEMT).

HEMT-транзисторы на основе InP имеют низкий коэффициент шума, высокую выходную мощность, малое рабочее напряжение, высокий КПД и очень высокое быстродействие. Смесительные и PIN-диоды, выполненные по этой технологии, имеют очень малые потери и высокую граничную частоту.

SiC

SiC имеет ширину запрещенной зоны 3,26 эВ, что почти в три раза больше, чем у кремния (1,12 эВ).

Главный недостаток данного материала – невозможность создания на нем гетероструктур.

Низкая подвижность носителей заряда (370 см²/В × с) является причиной, по которой SiC-приборы работают не более чем на 4-7 ГГц.

Однако, плюсами являются высокая плотность мощности и большая теплопроводность.

Постоянная кристаллической решетки SiC меньше, чем у кремния. Это позволяет создавать на подложках SiC более тонкие структуры, что приводит к улучшению характеристик транзисторов.

Эти свойства делают SiC перспективным материалом для использования в современных транзисторах, где требуются высокая эффективность, способность работать при высоких температурах и напряжениях.

C (алмаз)

Алмаз имеет чрезвычайно широкую запрещенную зону (5,47 эВ), что делает его идеальным материалом для высоковольтных устройств.

На таком материале можно создавать МДП-структуры с удельной плотностью мощности до 27 Вт/мм, плотностью носителей заряда в тонком слое до 10¹³ см^-2, напряжением пробоя порядка 10 МВ/см и рабочими частотами до 100 ГГц.

Низко-полевая подвижность алмаза очень высока (до 4500 см²/В·с). Она обеспечивает низкое сопротивление и быструю передачу носителей заряда, что приводит к снижению потерь на переключение и повышению скорости транзисторов.

Максимальная скорость дрейфа в алмазе также очень высока (до 3,2 × 107 см/с), что приводит к уменьшению времени переключения и увеличению частоты работы транзисторов.

Алмаз имеет очень высокую постоянную кристаллической решётки (3,567 Å), что позволяет структуре выдерживать высокие рабочие напряжения и температуры без деградации.

Теплопроводность (20 Вт/К*см) больше, чем у GaAs в 30 раз. Алмаз можно применяться в качестве теплопроводящих подложек.

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?

Решение

Пороговое напряжение отпирания находится как

– концентрация донорных примесей в канале, – диэлектрическая проницаемость полупроводника; – высота барьера Шоттки.

Размеры и уровень легирования одинаковые => пороговое напряжение отпирания будет зависеть от диэлектрической проницаемости. GaAs –13,1, Si – 12, GaN – 9,5.

Рис. 24. Входная ВАХ трех ПТБШ

Рис. 25. Выходная ВАХ трех ПТБШ

Параметры трех транзисторов одинаковые => стоковый ток определяется параметрами п/п, а именно – подвижностью электронов.

Чем больше подвижность, тем больше наклон линейного участка.

Напряжение пробоя тем выше, чем больше ширина запрещенной зоны.

Если увеличить ширину затвора, то затвор будет ближе к стоку. Вследствие этого уменьшится пороговое напряжение отпирания. Также мы получим большую величину тока стока при тех же напряжениях «сток – исток».

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.

Решение

На рис. 26 покажем семейство ВАХ и коэффициент шума, используя данные из [9, с. 546].

Рис. 26. Семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума

Шум-фактор одиночного устройства, согласно решению задачи №6 из первого задания, определяется как

Малый шум-фактор определяет низкая эффективная шумовая температура.

Коэффициент шума:

Воспользуемся также формулой Ван-дер-Зила:

Когда ток стока достигает насыщения, скорость в подзатворной части транзистора слабо зависит от напряжения затвора и стока. Скорость будет стремиться к скорости насыщения, а коэффициент диффузии от электронной температуры будет изменяться не сильно.

Меньше ток => меньше шум. Однако, если учитывать влияние буферного слоя, то зависимость коэффициента шума будет иметь характерный минимум, поскольку при закрывании транзистора электроны разогреваются в начальной части транзистора. Далее электроны они начинают дрейфовать в буферном слое и увеличивают шум.

3.6. Как связаны НЧ шумы с технологией изготовления транзистора?

Ответ

Низкочастотные шумы напрямую связаны с технологией изготовления транзистора по нескольким причинам.

1. В полупроводниковых материалах, используемых для изготовления транзисторов, свободных носителей заряда всегда ограниченное количество. Эти носители постоянно флуктуируют по положению и скорости, создавая низкочастотный шум.

2. На поверхности транзистора могут образовываться ловушки для носителей заряда, называемые поверхностными состояниями. Эти состояния могут захватывать и высвобождать носители, также приводя к низкочастотному шуму.

3. Структурные дефекты в кристаллической решетке полупроводника могут действовать как центры рассеяния для носителей заряда. Это рассеяние может вызывать флуктуации тока, что приводит к низкочастотным шумам.

Методом отбраковки изделий служит косвенный метод, связанный с анализом шумовых характеристик.

Анализ спектра шумов показывает, что в зависимости от физической природы наблюдаются тепловые и избыточные шумы. Избыточный низкочастотный шум называют фликкер-шумом 1/f.

Изделия сравниваются по уровню шума с контрольным бездефектным изделием. В дальнейшем, по разности шумов оценивается качество ПТ.

Метод на измерении шумов в режиме диода переходов Э-Б и К-Б при значении прямого тока 10 мА на частоте 1 кГц.

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

Решение

Изобразим малосигнальную схему ПТБШ, основываясь на [10, с. 219].

Рис. 27. Малосигнальная эквивалентная схема ПТБШ

S-параметры вводятся для эквивалентной схемы ПТ.

S-параметры (от англ. Scattering — рассеяние) – элементы матрицы рассеяния многополюсника, описывающего радиотехническое устройство (в частности ПТ).

Малосигнальная схема не учитывает паразитные эффекты значительными на высоких частотах и предполагает, что транзистор работает в линейном режиме. Она не учитывает нелинейности, которые могут возникать при больших сигналах. В этом смысле S-параметры универсальнее, так как подходят для «большого сигнала».