СВЧ-приборы и интегральные микросхемы : гетеробиполярные СВЧ-транзисторы

№1446 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики пол 

Кольцов Г.И. 

Одобрено методическим 
советом института 

СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

Раздел Гетеробиполярные СВЧ-транзисторы 

Учебное пособие 

для студентов специальности 200 200 

Москва 1998 

АННОТАЦИЯ 

Пособие содержит теоретические основы работы гетеробиполярного 
транзистора (ГБТ) Описаны преимущества ГБТ перед обычным 
кремниевым биполярным транзистором Приведены методы расчета 
низкочастотных и высокочастотных параметров ГБТ, и основные 
принципы конструирования кристалла ГБТ, обеспечивающие работу 
СВЧ-диапазоне 

© Московский государственный институт стали и сплавов 
(технологический университет) 
1998 год 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 
4 

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА 
6 

Основные ограничения на геометрические размеры 

кремниевых БТ 
12 

АРСЕНИД-ГАЛИЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ГОМО- И ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ 
17 

ГЕТЕРОБИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР С ШИРОКОЗОННЫМ ЭМИТТЕРОМ 
17 

Определение параметров гетероперехода 
20 

Коэффициент передачи ГБТ 
23 

Базовая область ГБТ 
28 

Коллекторная область ГБТ 
30 

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОБИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 
32 

Построение зонной диаграммы ГБТ 
32 

Токи, протекающие через структуру ГБТ. 
34 

Статические коэффициенты ГБТ 
38 

Частотные характеристики ГБТ 
40 

ЛИТЕРАТУРА 
49 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

49 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие ряда областей техники требует в настоящее время создания полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем, 
обеспечивающих работу радиоаппаратуры в СВЧ-диапазоне Наиболее очевидно применение таких приборов в радиолокационных станциях, работающих на частотах до нескольких десятков гигагерц На 
этот же диапазон должны быть спроектированы и изготовлены приборы оповещения об облучении радиоволнами Радиолокационные 
станции соответствующих габаритов создаются не только в военных, 
но и в гражданских целях - для судов, автомобилей, систем посадки в 
аэропортах 

Анализ возможных областей использования полупроводниковых 
приборов СВЧ-диапазона показывает, что к ним предъявляются самые широкие требования необходимо разрабатывать как мощные 
СВЧ-приборы для выходных каскадов, так и малошумящие для входных каскадов, которые смогли бы обеспечить прием слабых сигналов 

Кремниевые полупроводниковые приборы успешно работают в 
сантиметровой части СВЧ-диапазона, например, кремниевые биполярные транзисторы до 10 20 ГГц, кремниевые полевые транзисторы 
до 30 40 ГГц Дальнейшее освоение СВЧ-диапазона происходит не 
только за счет совершенствования топологии кремниевых приборов, 
но и с привлечением других полупроводниковых материалов, которые по своим физическим характеристикам имеют определенные 
преимущества При выборе материала предпочтение следует отдавать 
хорошо изученному полупроводнику, в котором известными технологическими приемами можно создавать барьеры и активные области 
Наиболее оптимальным в настоящее время является арсенид галлия и 
некоторые другие двойные, тройные, и четверные полупроводниковые соединения АШВУ 

Применение арсенида галлия при создании биполярных и полевых 
транзисторов обусловлено главным его преимуществом, высокой 
подвижностью электронов в слабых электрических полях и высокой 
дрейфовой скоростью в сильных Для температуры 300 К подвижность электронов (при концентрации доноров ~1017см~3) в арсениде 
галлия 
- 
Ци = (4 5) 10J см^В с), 
а 
в 
кремнии 

4 

Введение 

ц„ = (0,8 1) 103 см2/^ с), скорость насыщения в сильном электрическом попе в GaAs v„ = 2 107 см/с, в Si v„ = 0,8 107 см/с 

Кроме того, максимальное удельное сопротивление нелегированного или компенсированного арсенида галлия 107 109Омсм, а 
кремния 10 Ом см Такие большие значения удельного сопротивления в арсениде галлия (за счет широкой запрещенной зоны 
AEg= 1,42 эВ) дают возможность создавать полуизолирующие слои 
разделяющие отдельные приборы или активные области друг от друга Получение практически непроводящего арсенида галлия позволяет 
изготавливать активные области непосредственно на подложке с высоким удельным сопротивлением 

Однако арсенид галлия имеет и ряд недостатков, первый из которых - малое время жизни (т), в арсениде галлия т на уровне Ю-8 10~ 
9 с, в кремнии т до 10~3 с Из-за такого невысокого времени жизни 
довольно затруднительно изготавливать биполярные транзисторы, 
поскольку ширина базы в этом случае должна иметь субмикронные 
размеры Тем не менее с применением гетеропереходов и современных методик выращивания эпитаксиальных слоев задача создания 
гетеробиполярных транзисторов на арсениде галлия успешно решается 

5 

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 
ДЛЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА 

При проектировании биполярных транзисторов (БТ), предназначенных для работы в СВЧ-диапазоне, необходимо прежде всего обратить внимание на физические процессы переноса носителей заряда 
через активные области транзистора и время перезарядки емкостей 
транзистора. 

Общее время пролета носителей заряда через структуру БТ от 
эмиттера до коллектора хж определяется несколькими составляющими: 

Т»ж = тэ + тб + топ31. + тк. 
(1) 

Рассмотрим каждую составляющую отдельно. 
Время задержки эмиттера (тэ) определяется временем перезарядки барьерной емкости эмиттера (Сэ) через дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (R3), а также временем рассасывания 
неосновных носителей заряда, инжектированных в эмиттер из базовой области, Та': 

тэ = Л,.С, + тЛ 
(2) 

T;=2,43.ZVft216' 
( 3 ) 

где: W3 - глубина залегания эмиттерного перехода (толщина слоя 
эмиттера); 
Ц, - коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в эмиттере; 
А21б - коэффициент передачи по току. 
Снижение времени рассасывания за счет уменьшения глубины залегания эмиттера может привести к эффекту, когда неосновные носители пролетают через весь эмиттер без рекомбинации, и рекомбинируют только на его поверхности. При большой скорости поверхностной рекомбинации растет ток неосновных носителей заряда и падает 
эффективность эмиттера. 

6