Транзисторы с баллистическим транспортом:

Характеризуется тем, что носители заряда обладают большой длиной свободного пробега, превышающей длину канала, соответственно они перемещаются по каналу без потерь энергии

Изготавливается на гетероструктурах, где вследствие образования потенциальной ямы носители заряда обладают большой длиной свободного пробега, или на основе углеродных нанотрубок, в которых электроны также могут перемещаться без рассеяния.

Преимущества:

• Малые размеры

• Малая потребляемая мощность

• Низкий уровень шума, так в этих приборах при низких температурах отсутствует Пуассоновский шум.

• Высокая частота переключения, быстродействие.

Недостатки:

• Дорогостоящие изготовление.

• Малый температурный диапазон работы.

Отметим, что при использовании углеродных нанотрубок рабочие температуры, как правила выше, чем в случае гетероструктуры GaAs/AlGaAs.

Рассчитаем толщину высоколегированной области HEMT:

** Формула для расчета взята из [1 стр. 420]

Высоколегированную область в HEMT представляет AlGaAs, исходя из рисунка 13 будем рассматривать , согласно справочным данным, представленным в источнике [13] при ВЧ

Рассчитаем на какое расстояние может сместиться электрон от положения равновесия при T=300K:

Данное расстояние будет определяться длиной Дебая, для её расчета воспользуемся формулой из лекции «законы сохранения» сл.4 [14]:

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.

GaN:

**Для написания ответы были изучены источники: [7], [15], [16], [17], [18], [19] на основании прочитанной информации самостоятельно были составлены следующие выводы:

GaN обладает шириной запрещённой зоны до 3,5 эВ [15], что почти в три раза больше, чем у кремния. Это обеспечивает: работу транзисторов при повышенных температурах (теоретически до 500 °C, практически максимальная температура транзисторов на GaN, изготовленных на подложке SiC достигает 200°C, по мере совершенствования качества эпитаксиальных структур температура должна возрасти до 400 °C [15]), высокую радиационную стойкость, снижение генрационно-рекомбинационных процессов через межграничные и поверхностные уровни (соответственно, снижение уровня шумов), а также высокое пробивное напряжение (электрическое поле пробоя GaN 3,3 МВ/см, в то время как для кремния оно 0,3 МВ/см [16].)

Максимальная скорость дрейфа электронов в GaN составляет приблизительно [15]. Подвижность носителей может достигать 2000  [17], особенно в гетероструктурах с двумерным электронным газом, что напрямую влияет на высокое быстродействие транзисторов, а также даёт возможность реализовать высокочастотные устройства, работающие в С- и X-диапазонах

Изготовленные гетероструктуры AlGaN/GaN используют встроенную поляризацию для формирования двумерного электронного газа (2DEG) без дополнительного легирования. Это достигается за счёт разницы в постоянных решётки: кристалл AlN (3,11 Å), GaN (3,19 Å) [18], так на границе раздела AlGaN и GaN возникает латеральное растягивающее напряжение, вызывающее пьезоэлектрическую поляризацию, а также полярная природа соединений GaN и AlGaN приводит к спонтанной поляризации. Внутреннее поляризационное поле приводит к изгибу полосы проводимости и усиленному удержанию носителей, позволяя поддерживать высокую плотность тока.

InP:

**Для написания ответа была изучен источник [20]

InP обладает шириной запрещённой зоны 1,35 эВ [5], близкой к GaAs (1,42 эВ [21]). Использование InP в транзисторных структурах вместо GaAs приводит к повышению пробивного напряжения, увеличению граничной частоты и крутизны прибора, а также уменьшению площади кристалла, что связано с большой шириной запрещённой зоны в области гетеропереходов InP/InGaAs, следствием чего является возможность повышения уровня легирования базы. Отметим, что коллектор на основе InP обеспечивает более высокое напряжение пробоя по сравнению с InGaAs, поскольку ширина запрещённой зоны InP составляет 1,35 эВ, тогда как у InGaAs — около 0,75 эВ.

Благодаря высокой подвижности – 4500 см²/В·с [5], значительно превышающей значение для GaN, InP-структуры обладают низким сопротивлением канала и способны работать при высоких плотностях тока. Максимальная скорость насыщенного дрейфа носителей в InP достигает [6], что обеспечивает высокое быстродействие.

Постоянная кристаллической решётки InP составляет 5,87 Å [21], что близко к параметру решётки GaAs (5,65 Å [21]). Такое согласование позволяет выращивать низкодефектные гетероструктуры с минимальным уровнем дислокаций. Большой период решётки также способствует снижению рассеяния.

SiC

**Для написания ответа были изучены источники [7] и [25]

Обладает большой шириной запрещенной зоны 2,8–3,1 эВ [24] в зависимости от вида модификации. Транзисторы, разработанные на нем, могут работать на высоких температурах, вплоть до 600 . Обладает устойчивостью к радиации. И большой теплопроводностью. Как правило, критическая напряженности достигает значений 2,2 МВ/см [25]

Обладает малой подвижностью электронов – 400-880 см²/В·с [22] в зависимости от вида модификации, что может ограничивать работу на высоких частотах. Максимальная скорость дрейфа при комнатной температуры может достигать значений [23] для 4H-SiC, что положительно сказывается на быстродействии.

Например, 4H-SiC имеет гексагональную кристаллическую структуру с параметрами решётки a ≈ 3,09 Å и c ≈ 10,48 Å [26]. Эта структура обеспечивает высокую теплопроводность, что важно для эффективного отвода тепла в силовых устройствах.

С-алмаз

**Для написания ответа были изучены источники [27] и [29]

Алмаз обладает очень большой шириной запрещенной зоны 5,45 эВ[27]. Этот факт делает их идеальными для применения в условиях экстремальных температур и высоких напряжений, а также при радиации. Данный материал обладает рекордной теплопроводностью 20–24 [27]. Согласно расчетам, мощность MESFET на алмазе в диапазоне частот 5–100 ГГц должна быть в 30 раз выше, чем у транзистора на GaAs, и в 4 раза выше, чем у транзистора на SiC [27].

Подвижность электронов в нелегированном материале составляет 2200 [27], скорость насыщения 2,7 ⋅ 10⁷ см/с [28], что важно для высокочастотного применения и обеспечивает быстродействие приборов.

Постоянная решетки алмаза - 0,357 нм [29], атомы углерода в алмазе характеризуется sp³-гибридизацией, что обеспечивает высокую прочность структур из алмаза Отметим, что алмаз трудно легировать, особенно примесями n-типа, единственной надежной примесью является бор. [30]

3.4. 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?

Для построения входных характеристик оценим напряжение перекрытия канала для каждого исследуемого материала, воспользуемся формулой, представленной в [1 стр. 393]

Согласно условию концентрация легирующей примеси и толщина канала у трех образцов будут одинаковы, а и являются постоянными величинами, тогда будет определяться исходя из диэлектрической проницаемости материалов – .

Таблица 3. исследуемых материалов [13]

Материал	Si	GaN	GaAs
ε	11,7	8,9	12,9

Отсюда можно сделать вывод, что

Теперь оценим значения тока стока, согласно выражению в [1 стр. 394]

Аналогично, из условия и площадь поперечного канала одинаковы для трех образцов, значение тока стока можем оценить исходя из различных дрейфовых скоростей – .

Таблица 4. исследуемых материалов [21]

Материал	Si	GaN	GaAs

Отсюда можно сделать вывод:

Учтем: чем больше ширина запрещенной зоны – , тем выше пробивное напряжение.

Таблица 5. Ширина запрещенной зоны исследуемых материалов[21]

Материал	Si	GaN	GaAs
	1,12	3,5	1,42

Отсюда можно сделать вывод:

На основании вышеизложенных рассуждений изобразим выходные и входные характеристики:

Рисунок 14 – входные ВАХ ПТБШ для трех материалов

** Где напряжение на затворе

Рисунок 15 – выходные ВАХ для трех материалов

** Где напряжение на сток-исток.

Из выражения , где Z – ширина затвора, можно сделать вывод, что при увеличении ширины затвора ток стока увеличится. Это связано с увеличения площади поперечного сечения канала. Таким образом, характеристики будут идти выше.

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? При анализе используйте решение задачи №6 из первого задания.

** Для составления ответа был использован источник [1], на основании прочитанной информации были сделаны следующие выводы:

Рисунок 16 – семейство входных и выходных ВАХ и коэффициент шума [1 стр. 418]

Согласно представленному рисунку, минимум шума приходится на ток стока , где ток стока при нулевом напряжении на затворе. Данный факт объясняется тем, что малым токам соответствует суженный канал, что приводит к разогреву электронов в начальной части транзистора, вследствие чего они могут преодолевать барьер, т.е. перепрыгивать его и дрейфовать в буферном слое, где подвижность ниже, данный факт снижает крутизну, уменьшает усиление и соответственно увеличивает коэффициент шума.

В ИДЗ 1 задании 6 был сделан вывод о том, что основной вклад в шумы определяется первым каскадом многокаскадного усилителя. ПТБШ можно представить как каскад из двух участков: область истока – первый каскад, область стока – второй каскад. В области истока малое поле, электроны ещё не разогреты, и шумовая температура остаётся низкой, электроны разогреваются по пути к стоку. Таким образом, хоть в области стока формируется сильное электрическое поле и наблюдается высокая электронная температура, этот участок не оказывает значимого влияния на общий коэффициент шума прибора. Таким образом, основное шумовое поведение определяется областью истока, где условия остаются благоприятными для низкого уровня шумов, что и позволяет отнести ПТБШ к малошумящим приборам.