5. Полупроводниковые приборы свч

5.1. Полупроводниковые материалы группы а3в5

К группе А³В⁵принадлежатGaAs,AlAs,InP, и некоторые другие полупроводниковые материалы. Наиболее освоен в микроэлектроникеGaAs.

Основные преимущества GaAs перед Si:

1. Высокая подвижность электронов (при Ксм²/Вс).

2. Широкая запрещенная зона (1,43 эВ). Как следствие — высокое удельное сопротивление нелегированного (или компенсированного) материала подложки (Омсм)

3. Возможность превращения п-GaAsв полуизолятор под действием бомбардировки легкими ионами (Н⁺, В⁺).

4. Прямые межзонные переходы (энергетические экстремумы в зоне проводимости и в валентной зоне — в центре зоны Бриллюэна). Как следствие — прямые межзонные переходы, излучательный механизм рекомбинации, возможность создания оптоэлектронных приборов (включая лазеры).

5. Отрицательная дифференциальная подвижность в сильных электрических полях — эффект Ганна.

6. Повышенная радиационная стойкость.

Недостатки GaAs:

1. Высокая стоимость.

2. Отсутствие стабильного собственного окисла.

3. Низкая подвижность дырок (при Ксм²/Вс).

4. Низкая теплопроводность (в 2,5 раза хуже, чем у Si).

5. Хрупкость.

5.2. Полевой транзистор с затвором Шоттки на основе GaAs (птш, mesfet – Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor)

см^-3;см²/ В.с;мкм.

Активный слой выращивается методом эпитаксии, либо создается ионной имплантацией (Se). Контактные n⁺-области создаются ионной имплантацией.

Принцип действия: модуляция толщины канала напряжением

(в МДПТ — модуляция концентрации носителей в канале).

Пороговое напряжение:,

где В — барьерный потенциал контакта Шоттки,

— напряжение перекрытия канала.

Особенности ВАХ:

1. Затворный ток при В.

2. Ввиду высокой подвижности насыщение дрейфовой скорости электронов в канале происходит при полях Кв/см (вSi— приКв/см.

В крутой областиВАХ:,

где ;,

— начальное сопротивлени канала.

Ток насыщенияопределяется соотношениями:

;

,

где . Приближенное решение:

;

;

.

Основные преимущества ПТШ:

1). Очень высокое быстродействие (ГГц).

2). Высокая удельная крутизна ВАХ (мСм/мм).

3). Малый шум в диапазоне СВЧ.

4). Широкий температурный диапазон (до 200^оС).

Основные области применения на СВЧ:

1). Малошумящие усилители.

2). Генераторы СВЧ мощности (в том числе для ФАР).

3). Смесители (на 2-затворных ПТШ).

5.3. Гетеропереходный полевой транзистор на основе GaAs (гпт, немт – High Electron Mobility Transistor)

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.

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

Тонкий спейсер — для устранения поверхностных дефектов.

Канал очень тонкий (< 10 нм). Поэтому энергетические уровни в канале квантуются, и носители не могут двигаться в направлении оси х– 2-мерныйэлектронный газ (ДЭГ).

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).

Пороговое напряжение:

, гдеВ,.

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).