Биполярные транзисторы на гетероструктурах

Биполярные транзисторы на основе гетеропереходов (heterojunction bipolar transistors, HBT) представляют собой усовершенствованный вариант классического биполярного транзистора (BJT), в котором один или несколько p–n-переходов образованы между слоями полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Применение гетеропереходов позволяет оптимизировать распределение носителей, увеличить коэффициент усиления по току, а также расширить рабочий диапазон частот.

Ключевое отличие HBT от обычного транзистора заключается в использовании, например, пары материалов GaAs/AlGaAs или Si/SiGe, где гетеропереход обеспечивает барьер для дырок в базе, но одновременно облегчает инжекцию электронов из эмиттера в базу.

Структура и материалы

Стандартная схема HBT включает три слоя:

  • Эмиттер – формируется из широкозонного полупроводника, что уменьшает вероятность обратной инжекции носителей из базы.
  • База – выполняется из более узкозонного материала с малой толщиной, что обеспечивает высокую концентрацию носителей и снижает время их прохождения.
  • Коллектор – аналогичен коллектору обычного биполярного транзистора, но может быть выполнен как из того же материала, что и база, так и из более широкозонного полупроводника для снижения пробоя.

Наиболее распространённые комбинации:

  • GaAs/AlGaAs – для высокочастотных приборов;
  • InP/InGaAs – для оптоэлектроники и систем передачи данных;
  • Si/SiGe – для интеграции с кремниевой технологией.

Энергетическая диаграмма и разрыв зон

Использование гетероперехода приводит к разрыву зон на границе материалов. Этот разрыв можно разделить на две составляющие:

  • ΔEc – разрыв в зоне проводимости;
  • ΔEv – разрыв в валентной зоне.

Для HBT важно, чтобы разрыв в валентной зоне препятствовал движению дырок из базы в эмиттер, а разрыв в зоне проводимости не мешал инжекции электронов из эмиттера в базу. Таким образом достигается односторонняя избирательность инжекции, что является основным физическим преимуществом транзистора на гетероструктурах.

Усилительные характеристики

У классического транзистора коэффициент передачи по току β ограничен за счёт обратной инжекции дырок из базы в эмиттер. В HBT это ограничение снимается: широкозонный эмиттер значительно подавляет обратную инжекцию.

Основные улучшения:

  • Высокий коэффициент усиления даже при относительно низком легировании эмиттера.
  • Снижение времени пролёта носителей через базу благодаря уменьшенной толщине и высокой концентрации электронов.
  • Повышение предельной рабочей частоты fT и коэффициента максимальных колебаний мощности fmax.

Высокочастотные свойства

HBT обладают существенно лучшими СВЧ-характеристиками по сравнению с кремниевыми транзисторами на p–n-переходах. Это объясняется сразу несколькими факторами:

  1. Уменьшение времени пролёта через базу – тонкая база и высокая подвижность носителей (особенно в InGaAs).
  2. Снижение сопротивления базы – благодаря высокой концентрации легирования без потери коэффициента усиления.
  3. Меньшая ёмкость эмиттерного перехода – за счёт широкозонного материала.

В результате HBT применяются в диапазонах от десятков гигагерц (SiGe) до сотен гигагерц (InP/InGaAs).

Тепловые эффекты

Особенностью HBT является повышенная чувствительность к локальному нагреву. Плотность тока в эмиттере может быть значительно выше, чем в обычных транзисторах, что приводит к:

  • самонагреву активной области;
  • изменению подвижности носителей и коэффициента усиления;
  • возможности теплового пробоя.

Для компенсации применяются: оптимизация геометрии, использование теплопроводящих подложек (InP, Si), а также уменьшение толщины слоёв.

Технология изготовления

Формирование HBT осуществляется методами:

  • MOCVD (метод металлоорганической газофазной эпитаксии) – для GaAs/AlGaAs и InP/InGaAs;
  • MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия) – для особо тонких и сложных слоёв;
  • CVD с добавлением Ge – для Si/SiGe транзисторов.

Точность контроля толщины базы и состава материала критически важна, поскольку даже небольшие отклонения меняют частотные характеристики прибора.

Области применения

Биполярные транзисторы на гетероструктурах нашли широкое применение в тех областях, где требуются высокая частота работы, стабильность параметров и высокий коэффициент усиления:

  • системы мобильной связи (усилители мощности);
  • спутниковая и радиолокационная техника;
  • высокоскоростные цифровые схемы;
  • лазерные драйверы и оптические приёмопередатчики;
  • интеграция в радиочастотные микросхемы (RFIC).
Оглавление