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 

Биполярные транзисторы для СВЧ-диапазопа 

Для обеспечения высоких значений коэффициента передачи, уровень легирования в эмиттере должен быть значительно выше чем в 
базе, но при высоких уровнях легирования возможно размытие дискретного примесного уровня в зону, которая сливается либо с валентной зоной (р*-эмиттер), либо с зоной проводимости («+-эмитгер). Это 
приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны и к росту концентрации собственных носителей заряда в эмиттере. Перепад собственной концентрации между эмиттером и базой вызывает дополнительный поток носителей заряда из области базы и увеличению времени тэ': 

< = 

1 ' * 

А21э \J0N{x)\}0D3.nl 
) А , 
(4) 

где Щх) - распределение легирующей примеси в эмиттере. 
Уменьшение ширины запрещенной зоны bEg описывается эмпирической зависимостью: 

Щ = 9-(1п(ЛГ10-7) + Пп(ЛГ-10-17)]2 + 0,5}, мэВ, 
(5) 

где N - средний уровень легирования эмиттера, см"3. 
Уменьшение ширины запрещенной зоны приводит к появлению 
дополнительного встроенного электрического поля: 

_ 
dm 
1 dtsE„ 
КГ \ 
dn 

ах 
q 
dx 
q nm 
dx 

за счет которого растет концентрация неосновных носителей, инжектированных из базовой области в эмиттер. Второй член в этом уравнении учитывает распределение примеси в самом эмиттере и+-типа. 

С появлением дрейфовой составляющей ток дырок увеличивается 
и коэффицент эффективности эмиттера падает. Для »+-эмиттера: 

Jp3=4-Dia 

Кроме того, при достаточно высокой концентрации примеси время 
жизни носителей заряда определяется процессами ударной Оже
7 

Кольцов Г.И СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

рекомбинации, при этом с увеличением концентрации примеси в 
эмиттере снижается время жизни носителей заряда и, следовательно, 
падает эффективность эмиттера. 

Не менее важным фактором ограничивающим уровень легирования эмиттера является ширина области пространственного заряда 
(ОПЗ) эмитгерного перехода (Woaa). При уровне легирования базы 
сравнимым с уровнем легирования эмиттера, уменьшается ширина 
области пространственного заряда перехода эмиттер-база. Так, если 
уровень легирования эмиттера составляет МО18 см"3, то при нулевой 
разности потенциалов между эмиттером и базой W0J1V, * 0,3 мкм. Для 
таких толщин ОПЗ возможны туннельные переходы носителей через 
потенциальный барьер эмитгерного перехода и, кроме того, существенно возрастает барьерная емкость. 

Время пролета базы (тб), в случае равномерного ее легирования, 
определяется шириной квазинейтральной базовой области WQ И диффузионной скоростью пролета носителей заряда: 

T6 = (0V)2/(2,43.D6). 
(8) 

При наличии градиента концентрации примеси в базе время пролета уменьшается за счет встроенного электрического поля: 

T6=WS'-UDS, 
(9) 

где Le - характеристическая длина распределения доминирующей 
примеси в области базы; 
D& - коэффициент диффузии неосновных носителей заряда 
По эмпирической формуле: 

тб = И7/[2/)б-(0,8 + 0,46-TI)], 
(10) 

T) = ln(MbW6K), 

где: Nfo, Ns* - концентрация примеси в базовой области у эмитгерного 

и коллекторного переходов. 
Снижение времени пролета носителей заряда через базовую область за счет уменьшения ее ширины ограничено: при уменьшении 
ширины базы растет сопротивление базы Re, определяющее время 
перезарядки коллекторной емкости и увеличивается вероятность прокола базы. Технологические ограничения толщины базы в дрейфовых 

8 

Биполярные транзисторы для СВЧ-диапазона 

транзисторах связаны с возрастанием роли диффузионных процессов, 
протекающих по дефектам структуры, в этом случае возможно появление диффузионных трубок и закороток базовой области. При современном качестве полупроводниковых материалов и, в частности 
кремния, можно получить диффузионную базу на уровне 0,1 мкм 
Более тонкую базу создают с помощью молекулярной эпитаксии или 
эпитаксии из металл-органических соединений. 

Выбор размера базовой области и условий ее легирования является 
главными задачами проектирования СВЧ-транзисторов. 

Время задержки в обедненном слое коллекторного перехода (т-ою*) 
определяется только шириной области пространственного заряда коллектора и скоростью пролета в ней носителей заряда: 

Ton3ic = И'опзДг-Удр), 
(11) 

где Удр - скорость пролета, которая зависит от электрического поля 
коллекторного перехода. При достижении полем критического 
значения, скорость носителей заряда стремится к максимальному 
значению или насыщается. 
Время перезарядки барьерной емкости коллектора (тх) определяется сопротивлением базы Re, последовательным сопротивлением 
тела коллектора Rx и величиной барьерной емкости коллекторного 
перехода Ct: 

x^(R6 
+ RtyCK. 
(12) 

Однако чтобы более точно определить этот параметр целесообразно построить эквивалентную схему биполярного транзистора и проанализировать цепь перезарядки коллекторной емкости. 

На рис. 1 изображена обычная структура диффузионного БТ, где 
показаны отдельные элементы эквивалентной схемы, а на рис. 2 эквивалентная схема этого транзистора. Штрих-пунктирная линия на 
этом рисунке выделяет элементы эквивалентной схемы, относящиеся 
непосредственно к кристаллу. 

Как следует из рис. 2 емкость коллекторного перехода можно 
представить в виде отдельных емкостей Сы и Ст, характеризующих 
активную и пассивную части базовой области. Аналогично и последовательное сопротивление коллектора определяется наличием ак
9 

Кольцов Г И СВЧ-приборы и интегральные микросхемы 

тивной RKi и пассивной части Rm общего сопротивления тела коллектора. Кроме того, при оценке времени перезарядки коллекторной емкости следует учитывать сопротивление нагрузки БТ и только после 
этого расчитывать время перезарядки барьерной емкости коллектора. 
Уменьшение каждого из составляющих общего времени пролета хж 
способствует росту граничной, а следовательно и рабочей частоты 
транзистора/гр = 
(IK-T^)'1. 

Частотный диапазон коэффициента усиления по мощности БТ ограничен максимальной частотой генерации: 

f 
= I | *"»•/„ 
Ш ) 

Jma! 
2\2х-Я6.Сж • 
У ' 

Оптимизация конструкции БТ no/^c проводится по/р, R& и Ск. 
В случае если базовая металлизация выполнена в виде двух базовых полосок: 

R6 = 2P6-xJ(W6-z3), 
(14) 

Ст = 2£a-e0-z3-xJ1Vomt, 
(15) 

где х, и z3 - ширина и длина эмиттернои полоски металлизации, 
соответственно. 

Произведение Re-CK = 4еп-е0-рб-(хэ)2/(й^- WomK). 
Поскольку f„ax « (/?б-С,)~ш, максимальная частота коэффициента 
усиления по мощности определяется шириной эмиттернои полоски 
металлизации. Анализируя произведение RQ-C*, С учетом, что время 
максвеловской релаксации носителей заряда в базовой области. 
тм = E„-so-p6, максимальную частоту можно представить в виде произведения характеристических времен: fmax * (тЭ1-тм)~ш, и по критерию 
тэк-Тм вести оценку полупроводникового материала, предназначенного 
для создания БТ. 

10 

Биполярные транзисторы для СВЧ диапазона 

базовый контакт 
эмиттерный контакт 
базовый контакт 

коллекторный контакт 

Рис I Структура высокочастотного транзистора с отдельными элементами эквивалентной схемы. 

Наилучшим материалом будет тот у которого произведение подвижностей 
носителей 
заряда 
наибольшее. 
Для 
германия 
щ р., = 3,6-10* см4/(В2-с2), кремния ц„-Цр = 4,5-105, арсенида галия 
\in \ip = 1,2-107 и фосфида индия fVHp = 6,9-105 Как видно из сравнения свойств наиболее распространенных полупроводниковых материаллов из которых изготавливают БТ, кремний находится на последнем месте, однако прогресс достигнутый в кремниевой технологии, за счет наличия у него собственного окисла, обладающего уникальными диэлектрическими и защитными свойствами, поставил 
кремниевые БТ вне конкуренции 

/ /