Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

При конструировании СВЧ-транзисторов переходы всегда стараются делать малой глубины, чтобы повысить градиент распределения примеси в переходе эмиттер – база с целью снижения эмиттерной емкости за счет уменьшения краевой емкости эмиттера. Еще более важным основанием для снижения глубины эмиттера является, как мы видели, необходимость уменьшения τе. Чтобы использовать малую глубину эмиттера для повышения fт (т.е. граничной частоты усиления транзистора), необходимо прежде всего убедиться в том, что система эмиттерной металлизации не только обеспечивает хороший омический контакт с малым сопротивлением к эмиттерной поверхности, но и не вызывает диффузии или миграции примесей к переходу эмиттер – база при последующей работе транзистора, в противном случае возможно повреждение перехода. Величину τе можно уменьшить и путем уменьшения градиента распределения примеси в эмиттере, как уже говорилось выше.

Время заряда емкости эмиттер – база через эмиттер eb . Пере-

ход эмиттер – база включен в прямом направлении, и эмиттерный ток делится между параллельно включенными сопротивлением эмиттера re и емкостью эмиттерного перехода Сте. Только та часть тока, которая проходит через re, инжектируется в базу и усиливается. Ток, текущий через Сте, является паразитным. В результате образуется RС-цепочка с временем задержки:

Здесь re – отношение эмиттерного напряжения к току эмиттера, а Сте – барьерная емкость перехода, которые определяются выражениями

ким образом re. СВЧ-транзисторы обычно работают при таких уровнях эмиттерного тока, что eb не вносит существенного вклада в суммар-

ное время задержки.

Емкость эмиттерного перехода Сте, возникающая в результате изменения ширины обедненного слоя эмиттера, пропорциональна площади эмиттера.

Время переноса носителей через базу b определяется из реше-

ния уравнения переноса. Это уравнение решается через выражение для коэффициента переноса в базе β*, представляющего собой отношение тока на границе базы с коллектором к току на границе базы с эмиттером. β* является комплексной величиной, поскольку при перемещении носителей в базе происходит не только уменьшение амплитуды сигнала, но и сдвиг по фазе.

Время переноса электронов через базу р-типа можно выразить через ширину базы W и коэффициент диффузии электронов в базе Dnb :

b Dnb

Коэффициент переноса определяется выражением

где L – длина базы.

Чтобы найти предельную частоту передачи тока в базе b , которая определяется как частота, соответствующая уменьшению на 3 дБ по сравнению с низкочастотным уровнем, уравнение (7.19) разлагают в

Таким образом, постоянная времени переноса через базу определяется выражением

Чтобы сделать минимальным время задержки τd, следует уменьшить Хd. Этого можно достичь путем уменьшения удельного сопротивления эпитаксиального слоя коллектора при неизменной величине коллекторного напряжения. Величина τd весьма чувствительна к изменению коллекторного напряжения, поскольку Хd изменяется как корень квадратный из приложенного напряжения. Однако в СВЧ-транзисто- рах слой объемного заряда коллектора обычно распространяется на всю глубину эпитаксиального слоя. В этих условиях τd определяется выражением

d Wэпит , (7.24)

2Vнас

где Wэпит – глубина эпитаксиального слоя.

Постоянная времени заряда емкости перехода база – коллектор

k через коллектор. Емкость коллекторного перехода Стk должна за-

ряжаться через суммарное сопротивление эмиттер – коллектор, состоящее из трех частей: последовательного сопротивления эмиттера rse, дифференциального сопротивления эмиттерного перехода re и последовательно включенного сопротивления коллектора rsk. О влиянии rse и re говорилось выше, поэтому рассматривать их не будем. Выражение для последней составляющей времени задержки сигнала примет вид

При изготовлении кремниевых n–р–n транзисторов СВЧ используются эпитаксиальные слои n-типа, выращенные на подложке n+-типа, причем при нормальной величине рабочего напряжения обедненный слой коллектора проникает на всю глубину эпитаксиального слоя, почти достигая подложки. В этих условиях последовательное сопротивление коллектора почти полностью определяется удельным сопротивлением подложки k и ее толщиной lk, так что

sk Аk

где Аk – площадь коллектора.

тельно на порядок). Причем эмиттер во избежание сужения запрещенной зоны и, как следствие, снижения эффективности сильно легировать нельзя.

Из пп. 2 и 3 следует, что степень легирования эмиттера в СВЧ-транзи- сторах не должна быть слишком высокой, что противоречит теории, согласно которой эмиттер легировали так сильно, как только возможно это сделать, не нарушая, конечно, при этом решетку полупроводникового кристалла.

4. Эмиттерное сопротивление должно быть мало´, для чего рабочую точку транзистора смещают в область более высоких токов. Любое дополнительное сопротивление rse должно быть как можно меньше; это касается и сопротивления металлизации, и контактного сопротивления, а также и выравнивающих балластных резисторов в мощных транзисторах.

5. С целью снижения емкости Сте следует уменьшать площадь эмиттера настолько, насколько это возможно из соображений плотности тока в транзисторе и эмиттерной металлизации. Кроме того, концентрация примеси в базовой области под эмиттером (активная база) не должна быть слишком большой, чтобы переход не получился слишком узким.

6.Емкость коллекторного перехода Стk следует уменьшать, ограничивая площадь коллектора, насколько это возможно из соображений рассеяния мощности и отвода тепла.

7.Ширина базы W должна быть как можно меньше. Методом ионного легирования в настоящее время получают ширину базы менее 0,1 мкм.

8.Ширина обедненного слоя коллектора Xd должна быть настолько малой, насколько это возможно с точки зрения требований к величине рабочего напряжения и уровню легирования коллектора.

9.Коэффициент диффузии электронов в базе должен быть как можно больше, для чего активную базу легируют слабее, чем пассивную, находящуюся между эмиттерным и базовым контактами.

10.Уменьшение последовательного сопротивления коллектора rk достигается благодаря использованию эпитаксиальных пленок. При конструировании транзистора предусматривается полное обеднение

эпитаксиального слоя при рабочем напряжении. В этих условиях rsk определяется свойствами подложки, которую изготавливают из низко-

омного кремния и делают настолько тонкой, насколько это возможно из практических соображений. Таким путем удается уменьшить величину rsk, и тогда единственное, что остается, это обеспечить малую величину контактного сопротивления между обратной стороной кристалла и держателем.

Очевидно, что в данном транзисторе существенное влияние на fт оказывают время переноса в базе τb и время задержки в обедненном слое коллектора τd.

7.1.1.Практические ограничения частотного диапазона биполярных СВЧ-транзисторов на кремнии

Свойства полупроводникового материала. Максимальная рабо-

чая частота биполярных транзисторов определяется технологическими ограничениями, связанными с их конструкцией, но вопросом первостепенной важности является выбор материала полупроводника. Так, кремниевый n–р–n-транзистор с шириной базы менее 0,15 мкм имеет меньшую величину τek, чем германиевый р–n–р-транзистор идентичной геометрии, благодаря меньшей ширине коллекторного перехода Хd при одной и той же величине напряжения Uеk. Это объясняется тем, что поле пробоя в кремнии выше, чем в германии.

Кремний имеет преимущество перед германием не только с точки зрения электрофизических свойств, но и с технологической точки зрения: более высокие поле пробоя и скорость насыщения электронов, более низкая диэлектрическая постоянная и более высокая теплопроводность, возможность выращивания собственного окисла для использования в планарной технологии, более развитая технология эпитаксиального наращивания.

Задача создания биполярных СВЧ-транзисторов на арсениде галлия пока не решена из-за технологических трудностей получения узкой базы и малой ширины эмиттера. Таким образом, кремний на сегодня является наиболее предпочтительным материалом для создания биполярных СВЧ-транзисторов. Толщина эпитаксиальной пленки должна контролироваться с точностью до 0,5 мкм, поскольку транзистор работает в условиях прокола эпитаксиального слоя обедненным слоем коллектора. После изготовления транзистора уменьшают излишнюю толщину исходной подложки путем механической полировки или химического травления ее обратной стороны с целью снижения сопротивления коллектора rsk и уменьшения теплового сопротивления собственно тела кристалла.