Высокочастотные свойства

Высокочастотные свойства полупроводниковых приборов определяются скоростью протекания процессов переноса носителей заряда, их временем релаксации, а также влиянием паразитных элементов конструкции — емкостей, индуктивностей и сопротивлений. При переходе к частотам, сравнимым с частотой релаксации носителей и временем пролета через активную область прибора, ток и напряжение перестают изменяться синфазно, возникает запаздывание отклика, и эквивалентные параметры устройства существенно изменяются.

Временные параметры и частотные ограничения

Одним из ключевых параметров является время жизни носителей. Если частота внешнего воздействия значительно ниже обратной величины времени жизни, носители успевают релаксировать, и прибор демонстрирует квазистационарный отклик. Однако при частотах, сравнимых с 1/τ, где τ — характерное время релаксации, наблюдаются фазовые сдвиги, уменьшение амплитуды отклика и рост потерь.

Другим важным фактором выступает время пролета носителей через базу или активный слой прибора. Для биполярного транзистора, например, определяющим является время пролета через базу τ_b. Если период внешнего сигнала меньше τ_b, ток коллектора не может следовать за изменениями напряжения на базе, что ограничивает верхнюю рабочую частоту транзистора.

Емкостные эффекты

При высокочастотном воздействии возрастает роль барьерных и диффузионных емкостей p-n переходов.

• Барьерная емкость C_j связана с изменением ширины обедненной области при приложении переменного напряжения. Она обратно пропорциональна корню из приложенного обратного напряжения, и на высоких частотах приводит к снижению быстродействия диодов и транзисторов.
• Диффузионная емкость C_d возникает вследствие накопления избыточных неосновных носителей в области базы при прямом смещении перехода. При высоких частотах она ограничивает способность прибора изменять заряд и, следовательно, частотный диапазон работы.

Таким образом, емкостные эффекты формируют частотную характеристику прибора, определяя такие параметры, как граничная частота и частота единичного усиления.

Эквивалентные схемы на высоких частотах

Для анализа высокочастотных свойств применяются эквивалентные схемы с распределенными параметрами. В них учитываются:

• активные сопротивления базовых областей и контактов,
• переходные емкости,
• индуктивности выводов и межсоединений.

При частотах в гигагерцовом диапазоне вклад этих паразитных элементов становится сравнимым с основными параметрами прибора. В частности, индуктивности выводов могут вызывать резонансные явления, а сопротивления контактов приводят к существенному снижению коэффициента усиления.

Высокочастотные диоды

Для работы в диапазоне СВЧ применяются специальные диоды:

• Барьерные (шоттки-диоды), обладающие малым временем пролета и отсутствием накопления заряда, что обеспечивает их работу на частотах до сотен гигагерц.
• Варикапы, у которых эксплуатируется изменяемая барьерная емкость, позволяющая осуществлять электронную перестройку резонансных частот.
• Диоды Ганна и туннельные диоды, где используется отрицательное дифференциальное сопротивление для генерации и усиления СВЧ сигналов.

Высокочастотные транзисторы

Работа транзисторов на высоких частотах характеризуется параметрами:

• Граничная частота тока f_T — частота, при которой коэффициент передачи тока по току уменьшается до единицы. Она определяется временем пролета через базу, емкостью переходов и сопротивлением базы.
• Граничная частота мощности f_max — частота, при которой коэффициент усиления по мощности становится равен единице.

Для увеличения этих параметров используются:

• уменьшение толщины базы,
• применение гетеропереходов (например, в транзисторах HBT),
• использование компаундных полупроводников (GaAs, InP), обеспечивающих более высокую подвижность носителей.

Сверхвысокочастотные приборы

При переходе к диапазону десятков и сотен гигагерц классические принципы управления током через переходы становятся малоэффективными. Здесь используются:

• полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), где двумерный электронный газ в гетероструктуре обеспечивает минимальное время пролета,
• резонансно-туннельные диоды, в которых ток протекает за счет квантового туннелирования через двойные барьеры,
• лазеры на полупроводниковых гетероструктурах, обеспечивающие генерацию когерентного излучения в терагерцовом диапазоне.

Физические ограничения

Главными физическими факторами, лимитирующими высокочастотные свойства, являются:

• конечная скорость движения носителей (дрейфовая и насыщенная скорость),
• ограниченное время пролета через активный слой,
• паразитные элементы конструкции,
• тепловые эффекты, усиливающиеся при работе в режиме генерации или усиления СВЧ сигналов.

Таким образом, высокочастотные свойства полупроводниковых приборов определяются совокупностью фундаментальных физических процессов переноса заряда и технических ограничений конструкции. Развитие технологий гетероструктур, тонкопленочных и квантовых структур позволило значительно расширить диапазон рабочих частот, приблизив его к терагерцовому диапазону.