6 Области применения гетеротранзисторов

Можно выделить следующие области применения сверхвысокочастотных гетеротранзисторов:

• техника связи на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволнах;

• сверхвысокочастотная измерительная техника;

• большие интегральные схемы для высокоскоростной обработки информации специального назначения;

• системы радионаблюдения (радиотелескопы, радары).

По причинам, о которых мы уже говорили во вступлении в предыдущую лекцию, электронные устройства на полупроводниках группы  являются значительно более дорогими, чем электронные устройства на кремнии. Но там, где крайне важны повышенное быстродействие, широкий диапазон рабочих температур, радиационная стойкость, пользователи согласны на повышенные затраты ради достижения необходимых им технических характеристик.

Для обоснования важности применения сверхвысокочастотных гетеротранзисторов в технике связи напомним известное соотношение между частотой  и длиной волны  электромагнитных сигналов:

	( 9.1)

где  м/с – скорость света в вакууме. Отсюда вытекает, что диапазону сантиметровых волн ( = 1-10 см) соответствуют частоты от 30 до 3 ГГц. Это – "супервысокие" частоты (англ. SHF) согласно классификации международной организации ІЕЕЕ. А миллиметровым волнам ( = 1-10 мм) соответствуют частоты от 300 до 30 ГГц – "экстравысокие" частоты (англ. ЕHF) согласно той же классификации. Еще более высокие частоты – от 300 ГГц до 3 ТГц соответствуют субмиллиметровому (микроволновому) диапазону электромагнитных волн ( от 1000 до 100 мкм), который расположен на границе радиоволн и далекой инфракрасной области спектра. Еще до недавнего времени все эти диапазоны электромагнитных волн были мало освоены и не распределены.

Микроволновый диапазон электромагнитных волн остается не распределенным и до сих пор. В то же время, чем выше частота электромагнитных волн, тем бoльшие объемы информации можно передавать и принимать с их помощью в единицу времени, тем меньшие по размерам антенны можно использовать, тем более широкополосные сигналы можно передавать, принимать и обрабатывать, обеспечивая неслыханные ранее скорость и качество связи.

Для освоения этих новых "поколений" средств связи и оказались необходимы сверхвысокочастотные гетеротранзисторы, появившиеся на "наноэлектронном" этапе развития. Каждые "завоеванные" ими добавочные 10 ГГц частотного диапазона, в конечном счете, позволяют передавать/принимать дополнительно 1 Гбит информации каждую секунду.

Наиболее известны широкой общественности системы сотовой связи 3-го и 4-го поколений, обеспечивающие независимое общение одновременно миллионов людей и возможности беспроводного доступа новейших сотовых телефонов, смартфонов, мобильных компьютеров к сети Интернет. Менее известны, но не менее важны, системы беспроводной ближней радиосвязи для создания беспроводных локальных вычислительных и управляющих сетей в промышленности, на транспорте, в учреждениях, в системах безопасности. Они все больше применяются и в домашнем хозяйстве, помогая дистанционно проверять состояние и управлять разнообразной домашней техникой.

Без сверхвысокочастотных наноэлектронных гетеротранзисторов не обходятся уже и мощные телекоммуникационные сети, системы кабельного и спутникового телевидения, радиорелейные станции, системы спутниковой и дальней космической связи.

В качестве одного из возможных примеров, на рисунке 13 показан фотоснимок части параболической антенны спутниковой связи с двумя установленными на ней усилителями-конверторами, построенными на ПГТЗШ и имеющими очень низкий уровень собственных шумов. В данном случае радиосигналы сантиметровых волн от спутников связи посылаются в частотном диапазоне от 10,7 до 12,75 ГГц. Усилители-конверторы выделяют из них составляющие вертикальной и горизонтальной поляризации, усиливают принятые радиосигналы указанного диапазона на 50-60 дБ, выделяют из них поддиапазон заданной частоты, смешивают со сверхвысокочастотным сигналом супергетеродина и усиливают радиосигналы уже значительно более низкой промежуточной частоты (от 950 до 2150 МГц), которые передаются по высокочастотному антенному кабелю в ресивер.

Рисунок 13 - Фотоснимок двух усилителей-конверторов на ПГТЗШ, установленных на параболической антенне спутниковой связи

Напряжение питания и сигналы управления усилителями-конверторами передаются к ним через коаксиальный кабель. Конверторы надежно работают и в мороз, и в жару. Значительное усиление и частотное преобразование сигналов непосредственно возле антенны позволяют получать сигналы сразу многих каналов цифрового телевидения высокой четкости и использовать спутниковую антенну как коллективную, обслуживающую многих пользователей.

Без сверхвысокочастотных гетеротранзисторов не обходятся и волоконно-оптические линии связи. Для передачи информации в них используется ближний инфракрасный свет с длиной волны 1,3 мкм или 1,55 мкм. Теоретическая пропускная способность таких каналов чрезвычайно велика. Но практически она ограничивается быстродействием соответствующих модуляторов и демодуляторов сигналов и устройств коммутации. Такие устройства как раз и строятся на основе гетеротранзисторов и сейчас обеспечиваютпотоки данных со скоростью порядка 40 Гбит/с. Но этим возможности дальнейшего усовершенствования еще не исчерпаны.

Среди полупроводниковых материалов группы  имеется, в частности, и фосфид индия, на основе которого можно формировать не только сверхскоростные гетеротранзисторы, но и сверхбыстродействующие светодиоды (о которых мы расскажем ниже) и фотоприемники света указанной длины волны, которые потенциально способны модулировать и демодулировать такой свет с частотой в несколько терагерц (10¹² Гц).

В области измерительной техники сверхвысокочастотные гетеротранзисторы необходимы, прежде всего, для исследований очень быстропротекающих процессов, а также для сверхскоростной обработки больших и многоканальных потоков данных (например, быстрых преобразований Фурье для спектрального анализа, реализации сверхскоростных многоканальных осциллографов, томографов, аппаратуры для исследований в области физики высоких энергий и т.д.).

В области радиолокации повышение рабочих частот означает повышение разрешающей способности аппаратуры при одновременном уменьшении размеров антенных систем и потребляемой мощности. Для радиоастрономии – это открывает дополнительное "частотное окно" в безграничные пространства космоса, дает шанс увидеть объекты и явления, которые в доступном для наблюдений радиодиапазоне ранее не замечались.

Заключение

Основным преимуществом полупроводников группы  являются малая эффективная масса носителей электрического заряда и, соответственно, высокая их подвижность. Благодаря этому и в особенности на "наноэлектронном" этапе развития элементной базы информатики устройства на арсениде галлия и других полупроводниках группы  все время опережают кремниевую электронику по быстродействию в несколько раз. Еще одним преимуществом полупроводников группы является то, что большинство из них имеют одинаковую кристаллическую структуру и близкие значения периода кристаллической решетки и поэтому хорошо подходят для гетероэпитаксиального наращивания. Они легко смешиваются между собой, образуя кристаллы типа , , что позволяет получать полупроводники с разным периодом кристаллической решетки и с разной шириной запрещенной зоны энергий. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия существенно больше, чем в кремнии, что позволяет приборам на арсениде галлия функционировать в значительно более широком диапазоне температур. Однако полупроводники группы  сравнительно с кремнием – намного более дорогие материалы. И вдобавок они не имеют такого естественного оксида как  в кремнии, из-за чего обычно имеют весьма высокую плотность поверхностных состояний. А это делает практически невозможным формирование на них КМДП транзисторов и значительно усложняет технологию производства.

На "наноэлектронном" этапе развития на полупроводниках группы  благодаря использованию новейших технологий гетероэпитаксии были созданы сверхбыстродействующие гетеротранзисторы. В полевых гетеротранзисторах с затвором Шоттки (ПГТЗШ) близлежащий к затвору обедненный слой формируют из высоколегированного широкозонного полупроводника, а канал проводимости – из относительно узкозонного чистого полупроводника. Их разделяют тонким слоем чистого широкозонного полупроводника, благодаря чему на гетеропереходе наблюдаются существенные смещения и изгиб энергетических зон, и возникает потенциальная яма для электронов – квантовая плоскость, где электроны проводимости становятся "двумерным электронным газом" с высокими концентрацией и подвижностью. Благодаря этому предельная частота ПГТЗШ на гетеропаре полупроводников  и  уже при проектно-технологических нормах 100 – 200 нм выросла до 80–120 ГГц, а при норме 20 нм была достигнута предельная частота около 600 ГГц. ПГТЗШ на гетеропаре полупроводников  и достигли при комнатных температурах предельной частоты порядка уже нескольких терагерц и имеют на порядок меньшие собственные шумы. Правда, из-за меньшей ширины запрещенной зоны рабочий диапазон температур у них заметно уже.

Принцип построения логических схем на ПГТЗШ такой же, как и принцип построения логических схем на ПТЗШ. С использованием гетеропары полупроводников  и  уже выпускаются логические интегральные схемы на ПГТЗШ со временем задержки порядка 5 пс на вентиль.

Для применений в системах связи и в радиолокации, где нужно достигать высокой мощности сигналов на сверхвысоких частотах, преимущество имеют гетероструктуры с большой шириной запрещенной зоны энергий такие, как  и . Такие ПГТЗШ работают при напряжении питания порядка 100 В и на частотах в десятки гигагерц обеспечивают удельную выходнуюмощность порядка 100 Вт/мм. Широкая запрещенная зона позволяет транзисторам нормально функционировать при температурах до 500.

В биполярных гетеротранзисторах широкозонный эмиттер позволил сильно легировать базовую область, чем обеспечивается высокое быстродействие транзистора при малой толщине базовой области, когда почти все инжектированные носители беспрепятственно достигают коллекторного перехода. Такие гетеротранзисторы доведены сейчас до предельных частот до 250 ГГц, а на основе фосфида индия (эмиттер из  / база из  / коллектор из ) – до предельных частот свыше 400 ГГц.

Характеристики биполярных и полевых гетеротранзисторов на основе полупроводников группы  удалось дополнительно улучшить благодаря использованию резонансного туннелирования. Необходимый для этого тонкий двойной туннельный барьер(ДТБ) можно встроить в любую область транзистора (эмиттер, базу или коллектор, сток, исток, или затвор Шоттки). Имея ВАХ N-типа и значительный участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, они позволяют в логических и в импульсных схемах на гетеротранзисторах получать очень крутые фронты сигналов, что способствует повышению быстродействия и надежности таких схем.

Перспективными стали также униполярные гетеротранзисторы на "горячих" электронах со структурой , где высоколегированная узкозонная -область между широкозонными -областями выполняет роль базы транзистора. На границе раздела эмиттер/база возникает перепад потенциала, из-за чего инжектированные в базу электроны проводимости получают кинетическую энергию, намного больше энергии теплового движения. Они очень быстро пролетают сквозь базу в коллектор практически без рассеяний, обеспечивая высокий коэффициент передачи и сверхвысокое быстродействие. Если в область эмиттера встраивается ДТБ, то резонансное туннелирование обеспечивает инжекцию в базу "горячих" электронов с очень малым "разбросом" энергий, что обеспечивает их практически одновременный пролет сквозь базу и крутые (субпикосекундные) фронты сигналов при переключениях транзистора.

37