3 Биполярные гетеротранзисторы

Программируемые с точностью порядка 1 нм гетеропереходы, которые стали доступны на "наноэлектронном" этапе развития, позволили значительно улучшить характеристики не только полевых, но и биполярных транзисторов. Типичная структура биполярного гетеротранзистора (англ. Heterojunction bipolar transistor – HBT или HJBT) на основе арсенида галлия показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Структура биополярного гетеротранзистора

Предварительно на пластине полуизолирующего арсенида галлия () эпитаксиально наращивают тонкие слои:  – высоколегированный слой, используемый для формирования омического контакта с коллектором транзистора ();  – слой, образующий область коллектора (); 1 –  – слой, образующий область базы; 2 и 4 – тонкие промежуточные слои, назначение которых мы объясним ниже; 3 – , слой, образующий область эмиттера; 5 –  – высоколегированный слой, используемый для формирования омического контакта с эмиттером транзистора. Затем с помощью литографических процессов и процессов травления формируют показанную на рисунке 5 структуру.

На рисунке 6 вверху показана энергетическая диаграмма контакта широкозонного эмиттера с  и относительно узкозонной базы с  в случае резкого гетероперехода. Видно, что в этом случае в зоне проводимости возникает нежелательный потенциальный барьер. Чтобы избавиться от него, используют промежуточный слой 2 (рисунок 5). Методы эпитаксиального наращивания позволяют рассчитать такое постепенное изменение состава наращиваемых атомных слоев, чтобы профиль на энергетической диаграмме стал плавным. Аналогичную роль (предупредить образование потенциального барьера) выполняет и промежуточный слой 4 между узкозонной приконтактной областью  и широкозонной областью эмиттера .

На рисунке 6 внизу показана развернутая энергетическая диаграмма биполярного гетеротранзистора -типа со структурой, изображенной на рисунке 5, в рабочем режиме. Вдоль вертикали отложена потенциальная энергия электронов, вдоль горизонтали – координата. Диапазоны значений координаты, отвечающих разным областям транзистора, отмечены внизу: Эм – область металлического контакта к эмиттеру; 5 – высоколегированный слой арсенида галлия  для обеспечения омического контакта с электродом Эм; 2 и 4 – вышеупомянутые промежуточные слои; К – область металлического контакта к коллектору. Все обозначения совпадают с рисунком 5.

Рисунок 6 - Энергетическая диаграмма контакта эмиттер/база в случае резкого гетероперехода и энергетическая диаграмма биполярного гетеротранзистора в рабочем режиме

На рисунке 6 внизу показаны также рабочие напряжения, приложенные между эмиттером и базой () и между коллектором и базой () и соответствующие положения уровней Ферми для электронов в эмиттере (), в базе () и в коллекторе ().

Широкозонный эмиттер создал возможность сильно легировать базовую область, уменьшая продольное электрическое сопротивление базы, через которую при переключениях транзистора перезаряжается емкость обратно смещенного коллекторного -перехода. И тем самым обеспечивается высокое быстродействие транзистора при малой толщине базовой области, когда почти все инжектированные в базу электроны проводимости беспрепятственно достигают коллекторного перехода и проходят в коллектор. Коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор практически не снижается даже при высоких уровнях инжекции неосновных носителей заряда.

Поскольку высота потенциальных барьеров для "дырок", имеющихся в базе, намного выше, чем высота барьеров для электронов проводимости, дырки практически не выходят из базы. И электрический ток сквозь транзистор определяется исключительно электронами проводимости. Все это вместе и обеспечивает значительное улучшение всех характеристик биполярных гетеротранзисторов по сравнению с обычными биполярными транзисторами.

Аналогично описанному варианту биполярного гетеротранзистора -типа могут быть реализованы также транзисторы -типа и транзисторы на других гетероструктурах полупроводников группы .Гетеротранзисторы описанного варианта достигают сейчас предельных частот до 250 ГГц, а биполярные гетеротранзисторы на основе фосфида индия (эмиттер из  / база из  / коллектор из ) – предельных частот свыше 400 ГГц.