Биполярный транзистор с гетеропереходом
Биполярный транзистор с гетеропереходом ( HBT ) — это тип биполярного транзистора с переходом (BJT), который использует различные полупроводниковые материалы для областей эмиттера и базы, создавая гетеропереход . HBT превосходит BJT тем, что он может обрабатывать сигналы очень высоких частот, до нескольких сотен ГГц . Он обычно используется в современных сверхбыстрых схемах, в основном в радиочастотных (РЧ) системах, и в приложениях, требующих высокой эффективности мощности, таких как усилители мощности РЧ в сотовых телефонах . Идея использования гетероперехода так же стара , как и обычный BJT, и восходит к патенту 1951 года. [1] Подробная теория биполярного транзистора с гетеропереходом была разработана Гербертом Кремером в 1957 году. [2]
Материалы
Принципиальное различие между BJT и HBT заключается в использовании различных полупроводниковых материалов для перехода эмиттер-база и перехода база-коллектор, что создает гетеропереход. Эффект заключается в ограничении инжекции дырок из базы в область эмиттера, поскольку потенциальный барьер в валентной зоне выше, чем в зоне проводимости. В отличие от технологии BJT, это позволяет использовать высокую плотность легирования в базе, снижая сопротивление базы при сохранении усиления. Эффективность гетероперехода измеряется фактором Кремера. [3] Кремер был удостоен Нобелевской премии в 2000 году за свою работу в этой области в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
Материалы, используемые для подложки, включают кремний, арсенид галлия и фосфид индия , в то время как сплавы кремния/кремния-германия , алюминий-галлий-арсенид /галлий-арсенид и фосфид индия / индий-галлий-арсенид используются для эпитаксиальных слоев. Широкозонные полупроводники , такие как нитрид галлия и нитрид индия-галлия, особенно перспективны.
В гетероструктурных транзисторах SiGe градиентного типа количество германия в базе градиентно, что делает запрещенную зону уже на коллекторе, чем на эмиттере. Это сужение запрещенной зоны приводит к транспорту с помощью поля в базе, что ускоряет транспорт через базу и увеличивает частотную характеристику.
Изготовление
В связи с необходимостью производства устройств HBT с чрезвычайно высоколегированными тонкими базовыми слоями, в основном используется молекулярно-лучевая эпитаксия . В дополнение к слоям базы, эмиттера и коллектора, высоколегированные слои наносятся по обе стороны коллектора и эмиттера для облегчения омического контакта , которые помещаются на контактные слои после экспонирования фотолитографией и травлением. Контактный слой под коллектором, называемый субколлектором, является активной частью транзистора.
В зависимости от системы материалов используются и другие методы. IBM и другие компании используют химическое осаждение из паровой фазы в сверхвысоком вакууме (UHVCVD) для SiGe; другие используемые методы включают MOVPE для систем III-V .
Обычно эпитаксиальные слои согласованы по решетке (что ограничивает выбор ширины запрещенной зоны и т. д.). Если они почти согласованы по решетке, то устройство псевдоморфное , а если слои не согласованы (часто разделены тонким буферным слоем), то оно метаморфное .
Пределы
Биполярный транзистор с псевдоморфным гетеропереходом, разработанный в Иллинойсском университете в Урбана-Шампейн , изготовленный из фосфида индия и арсенида галлия индия и спроектированный с коллектором, базой и эмиттером с градиентным составом, продемонстрировал способность отсечки на скорости 710 ГГц. [4] [5]
Помимо рекордов по скорости, HBT из InP / InGaAs идеально подходят для монолитных оптоэлектронных интегральных схем. Фотодетектор типа PIN образован слоями база-коллектор-субколлектор. Запрещенная зона InGaAs хорошо подходит для обнаружения инфракрасных лазерных сигналов с длиной волны 1550 нм , используемых в оптических системах связи. Смещение HBT для получения активного устройства позволяет получить фототранзистор с высоким внутренним усилением. Среди других применений HBT — схемы смешанных сигналов, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Смотрите также
Ссылки
- ^ У. Шокли: «Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал», патент США 2,569,347, 1951.
- ^ Герберт Кремер (1957). «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов». Труды IRE . 45 (11): 1535– 1537. doi :10.1109/JRPROC.1957.278348. S2CID 51651950.
- ^ Эффект фототранзистора: «Фактор Кремера является функцией физических параметров материалов, составляющих гетеропереход, и может быть выражен следующим образом [приведена формула]»
- ^ Биполярные транзисторы с псевдоморфным гетеропереходом на базе 12,5 нм, достигающие f T =710 ГГц f T =710 ГГц и f MAX =340 ГГц Hafez et al, Appl. Phys. Lett. 87, 252109, 2005 doi :10.1063/1.2149510
- ^ Фосфид индия: Преодолевая пределы частоты и интеграции. Semiconductor Today. Том 1 Выпуск 3. Сентябрь 2006 г.
Внешние ссылки
- NCSR HBT на Wayback Machine (архивировано 4 апреля 2008 г.)
- Оптоэлектронные схемы HBT, разработанные в Технионе (15 Мб, 230 стр.)
- Новая структура материала позволяет производить самый быстрый в мире транзистор 604 ГГц в начале 2005 г.
