5 Гетеротранзисторы на "горячих" электронах

Интересными новыми разработками являются также гетеротранзисторы на "горячих" электронах. Идея униполярных (без -переходов) транзисторов на "горячих" электронах (англ. Hot Electron Transistor – НЕТ), которую объясняет рисунок 11, была высказана еще в 60-х гг. ХХ в. Она состоит в использовании свойств полупроводниковой структуры , где высоколегированная -область выполняет роль базы транзистора. На границе раздела эмиттер/база возникает перепад потенциала. Благодаря этому часть потенциальной энергии электронов проводимости, инжектируемых в базу, превращается в кинетическую энергию, которая намного больше энергии теплового движения электронов.

Рисунок 11 – Энергетическая диаграмма транзистора на «горячих» электронах

Распределение инжектированных в базу электронов по энергиям значительно отличается от равновесного распределения Максвелла. И поэтому такие электроны называют "горячими". Если толщина базовой области меньше длины свободного пробега, то такие "горячие" электроны пролетают сквозь базу в коллектор практически без рассеяний, обеспечивая высокий коэффициент передачи потока инжектированных электронов в коллектор.

Однако идея транзисторов на горячих электронах стала эффективной лишь на "наноэлектронном" этапе развития при использовании гетероструктур со сверхтонкими слоями.

В профессиональных журналах описано много вариантов реализации гетеротранзисторов на "горячих" электронах – со структурами , ,  и другими. Одним из наилучших оказался вариант транзистора на двойной гетероструктуре: "эмиттер из  / база из толщиной около 10 нм / коллектор из ". Энергетическая диаграмма, на которой изображены профили лишь "дна" зон проводимости такого транзистора, показана на рисунке 12 слева.

Рисунок 12 - Профиль "дна" зоны проводимости гетеротранзистора на "горячих" электронах (ГЭ) со структурой, описанной в тексте и передаточные характеристики такого транзистора в схеме с общим эмиттером при различных значениях тока базы

Валентные зоны для упрощения не показаны. Перепад потенциала зоны проводимости на границе раздела эмиттер/база составляет здесь 1,3 эВ. Приблизительно такую кинетическую энергию получают "горячие" электроны, инжектированные из эмиттера в базу. Пролетая тонкий (толщиной приблизительно 10 нм) слой базы практически без рассеяний и, следовательно, без потери энергии, они легко преодолевают потенциальный барьер высотой 0,8 эВ на границе раздела база/коллектор.

На рисунке 12 справа показаны типичные передаточные характеристики такого транзистора в схеме с общим эмиттером при температуре 300 К. Вдоль горизонтали здесь отложено напряжение  между коллектором и эмиттером, вдоль вертикали – ток коллектора. Характеристики приведены для разных значений электрического тока базы, начиная от 100 мкА с шагом в 100 мкА.Коэффициент усиления тока превышает 10 при частотах в сотни ГГц при очень малом собственном шуме. А коэффициент усиления мощности может быть еще во много раз больше.

Малое время реакции (порядка 0,1 пс) в таких транзисторах обусловлено тем, что они используют основные носители заряда и баллистический характер их пролета сквозь базу, имеют низкое электрическое сопротивление базовой области и малые значения электрической емкости эмиттерного и коллекторного барьеров.

Характеристики гетеротранзисторов на "горячих" электронах дополнительно можно улучшить с использованием двойного резонансного туннельного барьера, как в биполярных гетеротранзисторах. В частности, когда ДТБР встраивается в область эмиттера, то резонансное туннелирование обеспечивает инжекцию в базу "горячих" электронов с очень малым "разбросом" энергий, что предопределяет их практически одновременный пролет сквозь базу и соответственно крутые (субпикосекундные) фронты сигналов при переключениях транзистора.