Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

7

ности в данной части спектра. Мощные электровакуумные приборы в СВЧ-диапазоне (например, лампы бегущей волны, магнетроны) до сих пор присутствуют на рынке и, по-видимому, сохранят свое присутствие в обозримом будущем.

Открытие транзисторов и вытеснение ими электронных ламп привели к пересмотру схемных представлений почти во всех областях применения активных приборов. Полупроводниковые источники мощности бурно развиваются в основном по двум направлениям. Одно направление – это непрерывное конструктивное и технологическое усовершенствование, связанное с повышением предельной частоты, мощности, снижением уровня шума таких приборов, как биполярные и полевые транзисторы. Другое направление – это скачкообразное развитие приборов, основанных на принципиально новых эффектах, например, приборов на эффектах междолинного переноса носителей, эффекте Джозефсона и т.п.

Шкала частот, применяемых на практике, приведена на рис. 0.1. Начало создания специальных сверхвысокочастотных полупровод-

никовых приборов идет от идеи двухэлектродного прибора с отрицательным сопротивлением, возникающим благодаря эффекту времени пролета, предложенному Шокли в 1954 году. Первый пример – диод с задержкой неосновных носителей. Здесь в р+–n–р-структуре неосновные носители, инжектируемые у р+–n-перехода, дрейфуют к другому р–n-переходу, претерпевая задержку, равную времени пролета. Эта структура похожа на появившиеся позднее инжекционно-пролетные диоды (рис. 0.2). Шокли исследовал возможность создания двухэлектродного прибора, представляющего собой однородный полупроводник, в котором под действием сильного поля могут наблюдаться отклонения от закона Ома, приводящие к возникновению отрицательного дифференциального сопротивления. Это выражается в понижении скорости носителей при увеличении напряженности поля, т.е. появлении области отрицательной дифференциальной подвижности. Эта теория основана на представлении, что если дырки передают энергию фононам с некоторой максимальной скоростью потерь Рmax, то в этих условиях энергия, отдаваемая дырке полем, должна быть не больше чем Pmax, следовательно:

9

Это означает, что с возрастанием напряженности электромагнитного поля Е дрейфовая скорость будет падать и ее зависимость от напряженности поля будет иметь вид, показанный на рис. 03. На этом принципе построен туннельный диод. Правда, он не оправдал ожиданий, поскольку в нем не удалось получить большой выходной мощности (вследствие малого изменения тока и напряжения в области отрицательного сопротивления). Этот эффект положен в основу работы таких приборов, как диод Ганна.

Рис. 03. Зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля

После открытия транзисторного эффекта стало ясно, что можно реализовать транзисторы двух типов: биполярный и униполярный (или полевой). В СВЧ-диапазоне широкое распространение получили как тот, так и другой. Для изготовления транзисторов обоих типов можно использовать любой полупроводниковый материал с соответствующими электрическими и физическими свойствами. Вначале единственным подходящим материалом был германий, позднее, с развитием технологий, стали применять кремний и арсенид галлия.

Первые транзисторы могли работать на частотах, не превышающих нескольких сотен килогерц, но по теоретическим расчетам они должны были работать и на гораздо более высоких частотах при условии уменьшения их геометрических размеров. Кроме того, установлено, что частотный диапазон транзистора ограничивается временем переноса носителей электрического заряда через транзистор и скоростью изменения электрического заряда, накопленного в транзисторе. Для расширения частотного диапазона следовало уменьшить ширину базы

10 ВВЕДЕНИЕ

биполярного транзистора или длину затвора полевого транзистора, что позволило бы сократить время переноса, а также активную площадь прибора для уменьшения емкости или накопленного заряда. Эти усовершенствования требуют гораздо более жесткого контроля всех трех размеров прибора СВЧ, чем низкочастотного.

Усовершенствование технологий введения примесей в исходный материал позволяет улучшить контроль размеров в направлении, перпендикулярном к поверхности прибора. В начальных стадиях развития полупроводниковой технологии примеси вводили в исходный материал либо в процессе роста кристалла, либо путем вплавления в полупроводник примеси или металла, содержащего примесь. Позднее стали применять методы с более точным контролем размеров, такие, например, как диффузия. В настоящее время используют еще более точный метод внесения примесей – ионное легирование, что позволяет контролировать глубину введения примесей с точностью 0,1 мкм и менее.

Точность контроля поверхностных размеров транзисторов повышалась через технологии маскирования окислом и различные способы фотолитографии. Фотолитография в настоящее время позволяет выделять области шириной менее 0,5 мкм. Дальнейшие успехи в этом направлении связаны с использованием электронно-лучевых методов, в частности литографии, обеспечивающих разрешающую способность менее 0,1 мкм. Такое повышение точности контроля размеров позволило создать транзисторы сверхвысокочастотного миллиметрового диапазона длин волн.

Теоретический предел улучшения электрических параметров транзистора определяется физическими свойствами исходного полупроводникового материала. На практике показано, что максимально возможная частота, достижимая в полупроводниках, пропорциональна произведению EvVs , где Ev – величина электромагнитного поля при пробое; Vs –

скорость дрейфа носителей заряда, ограниченная насыщением. Дрейфовая скорость носителей в германии, кремнии и арсениде галлия достигает насыщения примерно на уровнях 0,6 107, 0,8 107 и 2 107 см/с соответственно, однако поля пробоя в кремнии и арсениде галлия в четыре раза выше, чем в германии. Частотный предел, определяемый произведением EvVs , на практике получить невозможно.

Наиболее широкое распространение исходя из технологических соображений получил кремний. Преимущества кремния состоят главным образом в том, что термически выращенная двуокись кремния SiO2

11

используется как хорошая маска при диффузии или ионном легировании примесей, а также в том, что на ней можно получать очень тонкие рисунки путем травления. Собственные окислы германия и арсенида галлия не так стабильны, поэтому в качестве защитной маски для них используют окислы, получаемые химическим осаждением из паровой фазы, которые по равномерности травления, стабильности, плотности уступают термическому окислу.

К числу других важнейших свойств полупроводников, влияющих на СВЧ-параметры приборов, выполненных на них, относятся подвижность электронов и дырок, диэлектрическая постоянная и теплопроводность. От подвижности электронов и дырок зависят сопротивление базы и распределенное сопротивление коллектора в биполярном транзисторе, а также сопротивление истока, стока и канала в полевом транзисторе. Чем меньше значение этих параметров, тем выше коэффициент усиления и ниже уровень шума транзисторов в диапазоне СВЧ. На основании сказанного арсенид галлия – более предпочтительный материал для СВЧ-диапазона, поскольку в нем подвижность электронов в четыре раза выше, чем в кремнии. Для отвода тепла, выделяющегося в транзисторе, важно иметь хорошую теплопроводность, и кремний в этом отношении в два раза лучше арсенида галлия.

По этой причине кремний обычно используют для изготовления мощных СВЧ-транзисторов. При заданных уровнях легирования и приложенных напряжениях диэлектрическая постоянная определяет величину емкости, которая должна быть достаточно малой для работы в диапазоне СВЧ. Кремний и арсенид галлия имеют более низкую диэлектрическую постоянную, чем германий, что дает им некоторые преимущества в этом отношении.