Транзисторы на гетеропереходах (heterojunction transistors, HJT) представляют собой класс полупроводниковых приборов, в которых используется не однородный p-n переход, а граница между двумя различными полупроводниковыми материалами. Отличие таких структур заключается в том, что материалы обладают разной шириной запрещённой зоны и различными значениями эффективных масс носителей, что радикально изменяет характеристики приборов. Это позволяет добиться более высоких частот работы, улучшенной температурной стабильности и высокой чувствительности.
Важным примером являются биполярные транзисторы на гетеропереходах (HBT) и полевые транзисторы на основе гетероструктур (HEMT, High Electron Mobility Transistors). Эти приборы широко применяются в современной электронике, особенно в высокочастотной технике, интегральных схемах, системах связи и квантовой электронике.
В классическом биполярном транзисторе (BJT) эффективность работы ограничена тем, что для увеличения коэффициента усиления необходимо делать эмиттер сильно легированным и использовать базу с меньшей концентрацией примесей. Однако при этом ухудшается инжекция носителей и возрастает обратный ток коллектора.
В случае гетеропереходного транзистора используется эмиттер из полупроводника с более широкой запрещённой зоной по сравнению с базой. Это приводит к тому, что барьер для инжекции дырок из базы в эмиттер возрастает, тогда как барьер для электронов из эмиттера в базу остаётся низким. В результате усиливается асимметрия инжекции: число электронов, инжектируемых в базу, значительно превышает число дырок, поступающих в эмиттер. Это даёт резкое увеличение коэффициента усиления по току при сохранении низкого уровня шумов и высокой стабильности.
Для полевых транзисторов с гетеропереходами ключевым является формирование двумерного электронного газа (2DEG) на гетерогранице, обладающего высокой подвижностью из-за пространственного разделения носителей и ионизированных доноров. Это обеспечивает очень малое сопротивление канала и возможность работы на сверхвысоких частотах.
При контакте двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны возникает разрыв зон:
Эти параметры определяют условия инжекции носителей и эффективность работы прибора. В гетеро-BJT ширина запрещённой зоны эмиттера больше, чем у базы, что уменьшает вероятность обратной инжекции дырок.
В HEMT структура проектируется так, чтобы разрыв зон создавал квантовую яму на границе, где накапливается 2DEG. Таким образом, ток течёт в узкой области с чрезвычайно высокой подвижностью электронов.
Конструкция:
Преимущества:
Применения:
Принцип работы: При создании гетероперехода, например AlGaAs/GaAs, на границе формируется двумерный электронный газ. Доноры, расположенные в слое AlGaAs, передают электроны в GaAs, но сами ионы остаются удалёнными от канала, что снижает рассеяние электронов.
Ключевые свойства:
Типичные материалы:
Транзисторы на гетеропереходах обладают повышенной термостабильностью, поскольку благодаря особенностям барьеров инжекции влияние температурного расширения распределения носителей снижается. Особенно важным это свойство является для приборов на основе нитрида галлия (GaN), которые могут функционировать при температурах свыше 200 °C и в условиях больших электрических полей.
Кроме того, радиационная стойкость гетероструктурных транзисторов выше, чем у традиционных кремниевых приборов, что делает их пригодными для космических применений и работы в экстремальных условиях.
Создание гетероструктурных транзисторов требует прецизионных технологий эпитаксиального роста, таких как:
Эти методы позволяют выращивать слои с атомарной точностью и контролировать состав сплавов (например, AlxGa1-xAs), что критично для оптимизации разрывов зон.
Для HBT важным является точный контроль профиля легирования базы, так как именно он определяет время пролёта носителей и частотные свойства. Для HEMT ключевым является обеспечение резкого интерфейса между слоями, чтобы сформировать качественный двумерный электронный газ.