Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / Часть 7 / Часть 7 / 1-3

146

Часть 7 Приборы на основе гетероструктур и перспективные транзисторные структуры

1. Гетеропереходы

В гетеропереходах р- и п-области сформированы из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Необходимое условие — одинаковый тип решетки и близкие периоды решетки (а₀).

Полупроводники для гетеропереходов

Полупроводник	g , эВ	а0 , нм	, эВ
GaAs	1,43	0,5654	4,07
AlAs	2,16	0,5661	2,62
GaP	2,20	0,5451	4,30
InP	4,38	0,5869	5,34
Ge	0,66	0,5658	4,13
Si	1,12	0,5431	4,01

Хорошие пары:

GaAs / Al_xGa_1-xAs (х < 0,4):

Ge / Si (х < 0,3):

Сшивка энергетических диаграмм:

Модель Андерсона: .

Отсюда: .

определяются из соотношений для равновесных концентраций основных носителей в нейтральных областях:

; ; (1.1а)

; . (1.1б)

Контактная разность потенциалов определяется из левого рисунка и (1.1):

(1.2)

Двойное интегрирование уравнений Пуассона в р- и п- областях ОПЗ дает:

(1.3)

Суммарный заряд в ОПЗ равен 0: (1.4)

Из (1.3) и (1.4) можно найти и . Замена дает значения , и при напряжении на переходе :

; (1.5а)

; (1.5б)

; (1.6а) ; (1.6б)

Приближеие (1.5б) соответствует обычно выполненному условию .

Формулы (1.5б) и (1.6а,б) совпадают с аналогичными формулами для гомогенного ступенчатого перехода.

2. Гетеропереходные полевые транзисторы на основе GaAs

(ГПТ, НЕМТ – High Electron Mobility Transistor)

2.1. Устройство и принцип действия

Изготавливаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Главная идея — отделить электроны в канале от ионов примеси.

В результате повышается их подвижность (до ~ 7000 см²/Вс).

эВ.

Тонкий слой i – AlGaAs (spacer) устраняет поверхностные дефекты и влияние ионов примеси в n⁺-Al_0,3Ga_0,7As на подвижность электронов в канале.

В слое n⁺-Al_0,3Ga_0,7As электронов нет — “диэлектрик”.

Канал очень тонкий (< 10 нм). Поэтому энергетические уровни в канале квантуются в направлении оси х (электроны не могут двигаться в направлении оси х без изменения энергии на Е_j) – 2-мерный электронный газ (ДЭГ).

Для треугольной ямы в канале: . (2.1.1)

Отличия от ПТШ:

1). Примерно вдвое более высокая подвижность носителей — выше предельная частота. При 77 К 60 000 см²/Вс !

2). Напряжение модулирует не толщину канала, а концентрацию элеткронов в канале (как в МДПТ).

2.2. Пороговое напряжение и поверхностная плотность ДЭГ

Из энергетической диаграммы (без учета спейсера):

. (2.2.1)

Полагая , получим:

. (2.2.2)

,

 

0

где — поверхностная плотность ДЭГ. Из (2.2.2):

;

, (2.2.3) где . (2.2.4)

В (2.2.1) можно связать с :

Используя (2.1.1), можно показать, что

(2.2.5), где для GaAs .

Подставляя (2.2.4) и (2.2.5) в (2.2.2), получим:

, или

, (2.2.6)

где пороговое напряжение , (2.2.7)

удельная емкость затвор-канал . (2.2.8)

Из (2.2.8) следует, что параметр имеет смысл эффективной толщины ДЭГ.

Пороговое напряжение можно регулировать изменением , т.е. и (как и в ПТШ).

Из (7) видно, что связь поверхностной плотности заряда в канале с напряжением такая же, как в МДПТ (но не в ПТШ).

2.3. ВАХ, эквивалентная схема и предельная частота

ВАХ ГПТ аналогичны ВАХ МДПТ со следующими оговорками:

1). Длина канала в ГПТ очень мала, а подвижность электронов велика. Поэтому поле еще меньше, чем в ПТШ, и ГПТ работает в режиме ограничения дрейфовой скорости электронов практически во всем канале. При этом справедливы формулы для МДПТ с коротким каналом:

; , ; ,

где — время пролета носителей через канал.

2). ГПТ имеет затвор барьерного типа, поэтому при В существует затворный ток (как и в ПТШ), а эквивалентная схема такая же как для ПТШ.

Эквивалентная схема ГПТ

Преимущества перед ПТШ:

1). Более высокое быстродействие (на 30-40%, при 77К — в 2-3 раза).

2). Большая удельная крутизна ВАХ (в 1,5 - 2 раза).

Основные области применения на СВЧ:

Малошумящие усилители, генераторы СВЧ мощности, смесители.

3. Гетеропереходные биполярные транзисторы

(ГБТ, НВТ – Heterojunction Bipolar Transistor)

3.1. Устройство и принцип действия

ГБТ на основе GaAs (пирамидальная структура):

В обычном транзисторе

;

;

; .

Для высокой эффективности эмиттера (т.е. высокого коэффициента усиления тока базы В) необходимо выполнение условия .

В результате: 1) значительное сопротивление базы , снижение предельной частоты , эффект оттеснения (снижение усиления с ростом тока);

2) прокол базы при малых напряжениях ; 3) модуляция толщины базы напряжением (эффект Эрли) и снижение выходного сопротивления.

В гетеропереходном транзисторе: ; ;

; ,

где эВ, 10⁵ !

Базу можно легировать значительно сильнее эмиттера .

В результате: 1) сопротивление базы снижается на 1…2 порядка; можно делать базу тоньше — растет предельная частота; 2) очень слабо проявляется эффект Эрли; 3) напряжение прокола базы велико даже при тонкой базе.

3.2. Особенности ГПТ и модифицированные структуры

Особенности ГПТ связаны с особенностями энергетической диаграммы гетероструктуры.

Энергетический пичок высотой E снижает поток электронов из эмиттера в базу и, следовательно, снижает эффективность эмиттера.

Вредный пичок устраняется введением нелегированного спейсера (i-GaAs) или использованием варизонного эмиттера.

Другой способ — варизонная база.

При этом транзистор получается дрейфовым: в базе создается квазиполе Е, действующее только на электроны.

Фактор поля велик:

.

В/см

В таком поле электроны дрейфуют с предельной скоростью см/с.

Время пролета через базу пс.

Предельная частота и области применения ~ те же, что у ГПТ.

Дополнительное преимущество — очень высокая крутизна ().

3

B E C

.3. ГБТ на основе структуры Ge-Si

B E B C

SiO₂

n-Si

SiO₂

SiO₂

p

p⁺-Ge_xSi_1-x

p⁺

p⁺

n

n⁺

SiO₂

SiO₂

SiO₂

n⁺

S

p⁺

Здесь база — узкозонный материал Ge_xSi_1-x.