Биполярные и полевые СВЧ-транзисторы

Биполярные и полевые СВЧ-транзисторы

1. Биполярные СВЧ-транзисторы

В основе работы микроволновых полупроводниковых биполярных (БТ) и полевых (ПТ) транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют их действие на низких (НЧ) и высоких частотах (ВЧ). Однако ряд факторов ограничивает использование НЧ- и ВЧ- транзисторов на сверхвысоких частотах (СВЧ) и требует решения ряда конструкторских и технологических задач.

Следует отметить, что частотный диапазон БТ ограничивается временем переноса носителей заряда через пространство активного взаимодействия. Это время для БТ оценивается суммарным временем задержек, характеризующих последовательные стадии пролёта носителей заряда от эмиттера к коллектору: эк = 0,5/fт = э +к + с, где э,

к времена, определяющие заряд эмиттерных и коллекторных ёмкостей; с время задержки в коллекторном р n-переходе; fт – граничная частота.

Можно показать, что э = RэСэ + э, где Rэ = (Iэ/Uэ)1 сопротивление эмиттера; Сэ ёмкость эмиттера; э = d2э(2D00)1 время рассасывания неосновных носителей в эмиттерном слое; dэ глубина залегания эмиттерного перехода; D0 коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в эмиттере; 0 – коэффициент усиления по току.

Время задержки сигнала в базовом слое в случае однородного легирования базы, в которой скорость диффузионного пролёта Vдиф= =(D/n)(dn/dx) 2Dв/dв, где dв толщина базы в направлении тока базы, равно в = d2б(2Dв)1, где Dв коэффициент диффузии неосновных носителей в базе.

При неоднородном легировании базы в ней может образоваться внутреннее поле Евнутр, приводящее к значительному ускорению пролёта базы электронами, и если Евнутр = const, то

в = d2в{2Dв[1 + (Евнутр/Е0)3/2]}1,

где в – время задержки в базовом р n-переходе; Е0 = 2D/dв.

Время задержки в обеднённом слое коллекторного р n-перехода благодаря сильному полю в нём определяется дрейфом носителей заряда с предельной скоростью Vнас и принимается равным половине времени пролёта:

c = Lк/2Vнас.

Время заряда обеднённой ёмкости коллектора к = RкСк, где Rк – последовательно включённое сопротивление коллектора. Полным временем задержки определяется граничная частота fт :

fт = 1/2эв , (1)

которая для БТ соответствует частоте, при которой коэффициент усиления по току в режиме короткого замыкания (КЗ) выхода схемы с ОЭ = =(Iк/IБ) равен единице. Условие = 1 соответствует уменьшению коэффициента усиления по току в схеме с общей базой (ОБ) в два раза [так как ( ].

Можно оценить конструкторско-технологические решения, которые позволяют создавать БТ, работающие в СВЧ-диапазоне.

Исходным материалом для планарного БТ служит пленка высокоомного кремния n-типа, создаваемая эпитаксиальным наращиванием его на Si-подложку, где формируется вывод коллекторного контакта. Методом ступенчатой фотолитографии в изолирующей пленке создают окна, через которые в несколько стадий вводят легирующие примеси и формируют область базы с проводимостью р-типа, низкоомную приконтактную область базы р+, а в дальнейшем – эмиттерную область с проводимостью n+-типа. Металлическая пленка эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К) обеспечивает подачу управляющих и питающих напряжений.

На границе эмиттер-база создается обеднённый подвижными носителями заряда эмиттерный р n-переход, а на границе база-коллектор – коллекторный.

Кроме того, для СВЧ-транзисторов принимают меры по уменьшению времени переноса заряда через базу, для чего уменьшают её длину lб. Современная технология позволяет реализовать lб до десятых долей микрона. Наличие сверхтонкой базы является одной из особенностей БТ.

Однако при уменьшении толщины базы снижается пробивное напряжение коллектора и уменьшается выходная мощность.

Следовательно, для СВЧ-транзисторов значение выходной мощности единичного транзистора снижается (компенсация достигается объединением в одном корпусе нескольких структур).

Сокращение времени переноса носителей через базу возможно также и за счет обеспечения преимущественно дрейфового (а не диффузионного) характера переноса.

Дрейфовая скорость может существенно превышать диффузионную скорость движения, если создать в базе внутреннее ускоряющее поле. Для этого при изготовлении дрейфового транзистора легирующие примеси в базе распределяются неравномерно.

Например, для базы р-типа обеспечивается превышение концентрации акцепторных примесей в эмиттере по сравнению с их концентрацией в коллекторе. Можно показать, что в случае экспоненциального распределения примесей в базе напряжённость электрического поля оказывается постоянной по толщине и определяется отношением концентраций примесей на границах базы:

Евнутр = тlб1lnNбэ/Nбк, (2)

где т = kT/q температурный потенциал; lб толщина базы.

Величину m = Евнутрlб/2т называют фактором поля. Она характеризует соотношение между напряжением в базе, возникающим за счет внутреннего поля, и температурным потенциалом и для кремния может достигать 10. Так, если при 300 К т = 0,25 мВ и m = 2, то в базе с толщиной 0,3 мкм возникает поле порядка 4 кВ/см.

В дрейфовых транзисторах время переноса заряда через базу в m раз меньше по сравнению с бездрейфовыми (так как дрейфовая скорость равна диффузионной при электрическом поле порядка 1 В/см, то в реальных транзисторах Евнутр >> 1 В/см и допустимо не принимать во внимание диффузионный перенос носителей). Граничная частота коэффициента переноса тока также увеличивается в m раз.

Уменьшение толщины базы способствует снижению мощности и ведёт к увеличению сопротивления базы в поперечном направлении, что увеличивает постоянную времени заряда (Cк) р n-перехода и, следовательно, снижает fт. Для уменьшения влияния роста Rк под базовым выводом легируют область полупроводника, создавая низкоомный слой р+-типа. Тем не менее протекание базового тока параллельно плоскости кристалла приводит к возникновению неравномерного падения напряжения на распределенном сопротивлении материала базы (протекание тока базы обусловлено вводом и выводом носителей заряда через базу для обеспечения ее электронейтральности). Возникающее из-за тока базы падение напряжения на эмиттерном переходе в центре эмиттера оказывается меньше падения напряжения у его краёв.

Плотность тока эмиттера экспоненциально зависит от напряжения на р n-переходе. Поэтому падение напряжения вдоль оси Х в тонкой базе составляет несколько т, но приводит к различию в значениях jэ примерно на порядок (jэx=0 < jэx=l/2). Возникает эффект “оттеснения тока эмиттера” (рис. 1), для устранения которого эмиттер выполняют в виде узких полосок (увеличивают их длину по координате Z для получения нужного тока эмиттера, а для выравнивания напряжения вдоль их располагают в виде большого числа отдельных полосок – до 15 штук, между которыми располагают полоски выводов базы), т.е. формируют гребенчатую структуру (рис. 2).

Конфигурации эмиттера и базы определяют частоту fт, причём для ее увеличения БТ должны иметь максимальный периметр эмиттера при минимальной его площади. Выполнение первого требования обеспечивает равномерное распределение тока эмиттера, второго – уменьшение ёмкости эмиттера, снижающей уровень инжекции и шунтирующей эмиттерный переход.

В виде гребенчатой структуры реализованы эмиттеры с lэ = 1 мкм и fмакс = 40/(lэ + 2t), где t – ширина полоски в мкм.

Рис. 1 Рис. 2

Для создания более мощных БТ используют объединение в одном кристалле до 150 единичных структур с сохранением большого отношения периметр/площадь. В многоэмиттерных структурах реализуют полоски низкоомного р+-слоя в кристалле, а внутри каждой ячейки располагают прямоугольный эмиттер. Вывод эмиттера изолируют от базовой сетки слоем SiO2. Внешние выводы делают в виде коротких полосок, что снижает их паразитные параметры С и L. Причём транзисторы выполняют без внешнего металлического корпуса.

В заключение следует привести еще одну величину: fмакс = =[h21бfт/(8rбСк)]0,5, fмакс = fгр, при которой 20,50/2 и которая характеризует предельные частотные возможности БТ. На частотах выше fмакс БТ перестает быть активным элементом, т.е. только поглощает подводимую мощность. Генерация или усиление в этом случае невозможны ни при каких схемных включениях.

Частотные зависимости модулей коэффициентов передачи для схем с ОБ и ОЭ определяются частотами h21э и h21б, на которых коэффициент усиления по мощности уменьшается в 2 раза по сравнению с максимальным. Эти частоты находятся в соотношении h21б> > h21э и определяются через снижение коэффициента передачи тока h21i (h21б = Iэ/IкUк=0 , h21э = Iк/IбUк=0 ) до значения 20,5h21б,э/2 (рис. 3).

Следует помнить, что частоты h21э,б называть граничными нельзя, так как h21э 0 40, и при частотах выше h21э транзистор вполне может работать (таким образом, для повышения fгр необходимо снижать rб и Ск, что является противоречивым требованием).

Рис. 3

Современные БТ работают до частот 20 28 ГГц. Получены следующие значения Рмакс непр: 300 Вт на частоте f = 3 ГГц; 20 Вт 6 ГГц;

5 Вт 10 ГГц; 0,3 Вт 25 ГГц. При этом КПД составляет: 50 % на частоте 13 ГГц, 20 % 1415 ГГц, 10 % 2425 ГГц. Значение коэффициента шума составляет 2,5 3,0 дБ на частоте 2 – 4 ГГц; 7,0 дБ на частотах более 10 ГГц.

Гетероструктурные БТ. Радикально повысить быстродействие БТ можно, если увеличить легирование базы без изменения коэффициента эффективности эмиттера, что возможно при использовании в качестве эмиттера гетероперехода. Пример гетероструктуры n р типа с широкозонной n-областью приведен на рис. 4.

“Встроенное” поле на переходе оказывается различным для электронов и дырок, оно и препятствует дырочному току из р- в n-область. В рассматриваемом случае дырочный ток уменьшается в exp(–E/kT) раз (где E – дополнительный гетеробарьер для дырок), поэтому эффективность эмиттера э будет близка к 1, даже если уровень легирования р-области (базы) выше, чем n-области (эмиттера):

(3)

Различают плавные и резкие гетеропереходы (см.рис.4). При этом величина E в плавном гетеропереходе (варизонном кристалле) приблизительно равна разности ширин запрещенных зон Eз. При этом в плавном гетеропереходе (использован в качестве эмиттера) увеличение барьера для дырок создаётся за счёт разности ширин запрещённых зон, а в резком гетеропереходе оно определяется величиной Ev, как показано на рис. 4.

Рис. 4

В резком гетеропереходе, сформированном слоями GaAAs и GaAs, барьер может достигать величины более 10 кT, что вполне достаточно для уменьшения более чем на порядок второго множителя () формулы (3), определяемого эффективностью эмиттера Э.

Следует заметить, что повышение эффективности эмиттера в кремниевых БТ имеет место также при использовании поликристаллического кремния в качестве более широкозонного материала для эмиттера.

Перспективным материалом для широкозонного эмиттера является также CrSi. Такие эмиттеры позволяют избежать туннельного эффекта при легировании базы до уровня 1019 см3 и более, что позволяет сформировать тонкие обеднённые слои и слой базы, а главное, снизить на порядок величину сопротивления базы.

Гетеропереход “широкозонный коллектор – узкозонная база” позволяет исключить инжекцию дырок из базы в коллектор благодаря образованию барьера для дырок, поэтому допустимы значения Nк

1017 см3 и Nб 1019 см Трехслойная n – р – n-структура с двумя гетеропереходами позволяет реализовать взаимозаменяемость эмиттера и коллектора в ИС и возможность оптимизировать параметры базы и коллектора.

Ожидается, что наибольшим быстродействием будут обладать БТ со структурой GaAlGe – GaAs за счет того, что Gа допускает сильное легирование акцепторными примесями и имеет высокую подвижность дырок, которая обеспечивает малое сопротивление базы. Возможные конструкции гетероструктурных БТ (ГСБТ) приведены на рис. 5.

Первая реализация ГСБТ (рис. 5, а) представляет собой двухслойную структуру: широкозонную – GaAlAs (вдоль поверхности) и под ней узкозонную – GaAs. Эмиттерный гомопереход в широкозонном приповерхностном слое пропускает ничтожно малый ток (по сравнению с током через гетеропереход) в узкозонную область, где высота барьера на Е меньше. Практически транзистор работает в вертикальном направлении при отключенной горизонтальной части. Эти же идеи использованы для создания обращённого транзистора (узкий коллектор с малой Ск на поверхности) с одновременным сужением активной части эмиттера (рис. 5, б).

а) б)

Рис. 5

Для таких структур с микронным эмиттером и электронной базой при I = 2 мА, Vл = 0,5 В получено Д = 8 nс, fт 29 ГГц, fмакс 19 ГГц, Рд= =1 мВт (время задержки при переключении).

Серьёзные технологические трудности пока не позволяют использовать указанные структуры в БИС и СБИС (так как физика дефектообразования и ряд других процессов в материалах группы А3В5 существенно отличаются от аналогичных процессов в кремнии, хотя отдельные образцы с широким эмиттером (гетеролазеры, гетерофототранзисторы) уже получены с удовлетворительными характеристиками.

Варизонные БТ (ВБТ). Благодаря возрастанию ширины запрещенной зоны от коллектора к эмиттеру в ВБТ по всей структуре n – р – n для неосновных носителей заряда имеется встроенное поле Евстр. Это поле, с одной стороны, ускоряет пролет инжектированных электронов через базу (как в дрейфовых БТ), а с другой – препятствует инжекции дырок из базы в эмиттер (как в плавном гетеропереходе).

Энергетическая диаграмма такой структуры приведена на рис. 6.

Рис. 6

Эффект уменьшения времени задержки дрейфового пролета (б(Ев) dб/2Евстр = d2бq/2Ед) в варизонной структуре значительно превышает аналогичный эффект в дрейфовом транзисторе (где значение Евстр обусловлено неоднородным легированием базы, которое не превышает нескольких кТ/q).

Так, при Ед = 0,15 эВ, dб = 5105 см получаем Евстр = 5 кВ/см. В этом случае при Nб = 1018 см-3 б составит приблизительно 5 пс.

2 Полевые СВЧ-транзисторы