СТРУКТУРА ГБТ НА ОСНОВЕ GaAs-AlxGa1-xAs.

Содержание и расположение информационных блоков на слайде

Единое стилевое оформление

Звук

Анимация

Графическая информация

Текстовая информация

· размер шрифта: 24–54 пункта (заголовок), 18–36 пунктов (обычный текст);

· цвет шрифта и цвет фона должны контрастировать (текст должен хорошо читаться), но не резать глаза;

· тип шрифта: для основного текста гладкий шрифт без засечек (Arial, Tahoma, Verdana), для заголовка можно использовать декоративный шрифт, если он хорошо читаем;

· курсив, подчеркивание, жирный шрифт, прописные буквы рекомендуется использовать только для смыслового выделения фрагмента текста.

· рисунки, фотографии, диаграммы призваны дополнить текстовую информацию или передать ее в более наглядном виде;

· желательно избегать в презентации рисунков, не несущих смысловой нагрузки, если они не являются частью стилевого оформления;

· цвет графических изображений не должен резко контрастировать с общим стилевым оформлением слайда;

· иллюстрации рекомендуется сопровождать пояснительным текстом;

· если графическое изображение используется в качестве фона, то текст на этом фоне должен быть хорошо читаем.

Анимационные эффекты используются для привлечения внимания слушателей или для демонстрации динамики развития какого-либо процесса. В этих случаях использование анимации оправдано, но не стоит чрезмерно насыщать презентацию такими эффектами, иначе это вызовет негативную реакцию аудитории.

· звуковое сопровождение должно отражать суть или подчеркивать особенность темы слайда, презентации;

· необходимо выбрать оптимальную громкость, чтобы звук был слышен всем слушателям, но не был оглушительным;

· если это фоновая музыка, то она должна не отвлекать внимание слушателей и не заглушать слова докладчика. Чтобы все материалы слайда воспринимались целостно, и не возникало диссонанса между отдельными его фрагментами, необходимо учитывать общие правила оформления презентации.

· стиль может включать: определенный шрифт (гарнитура и цвет), цвет фона или фоновый рисунок, декоративный элемент небольшого размера и др.;

· не рекомендуется использовать в стилевом оформлении презентации более 3 цветов и более 3 типов шрифта;

· оформление слайда не должно отвлекать внимание слушателей от его содержательной части;

· все слайды презентации должны быть выдержаны в одном стиле;

· информационных блоков не должно быть слишком много (3-6);

· рекомендуемый размер одного информационного блока — не более 1/2 размера слайда;

· желательно присутствие на странице блоков с разнотипной информацией (текст, графики, диаграммы, таблицы, рисунки), дополняющей друг друга;

· ключевые слова в информационном блоке необходимо выделить;

· информационные блоки лучше располагать горизонтально, связанные по смыслу блоки — слева направо;

· наиболее важную информацию следует поместить в центр слайда;

· логика предъявления информации на слайдах и в презентации должна соответствовать логике ее изложения.

Помимо правильного расположения текстовых блоков, нужно не забывать и об их содержании — тексте. В нем ни в коем случае не должно содержаться орфографических ошибок. Также следует учитывать общие правила оформления текста.

После создания презентации и ее оформления, необходимо отрепетировать ее показ и свое выступление, проверить, как будет выглядеть презентация в целом (на экране компьютера или проекционном экране), насколько скоро и адекватно она воспринимается из разных мест аудитории, при разном освещении, шумовом сопровождении, в обстановке, максимально приближенной к реальным условиям выступления.

Одним из наиболее перспективных материалов являются полупроводниковые соединения A³B⁵ и в частности арсенид галлия с подвижностью электронов ~4200 см²/В×с при 300 К.

Однако в GaAs время жизни носителей заряда определяется прямой межзонной рекомбинацией. Вследствие высокой вероятности рекомбинации время жизни для электронов в GaAs порядка 10^–8¸10^–9 с.

Учитывая основное правило конструирования базы транзистора: время пролета << времени рекомбинации или толщина базы < диффузионной длины неосновных носителей заряда для создания БТ на GaAs требуется база < 1 мкм: на экспериментальных транзисторах из GaAs получено, что при W_Б » 0,4 мкм h_21Э ~ 100, а при W_Б » 0,2 мкм h_21Э ~ 500.

При ширине эмиттерной полоски ~1 мкм удается получить время пролета от эмиттера до коллектора t_эк ~ 11 пс, и следовательно f_гр ~ 30 ГГц.

Для сравнения в кремниевых транзисторах с теми же размерами время пролета 30 пс и f_гр ~ 5 ГГц.

Рис. 13 Типовая структура биполярного транзистора с эмиттерным гетеропереходом на основе арсенида галлия.

Простейший способ создания гетеротранзистора из GaAs – это использование обычной подложки из n⁺-GaAs для низкоомного коллектора, на которую наносят эпитаксиальный слой n^–-GaAs высокоомного коллектора, в который проводят диффузию для создания p-базы. При создании эмиттера используется эпитаксия более широкозонного материала (например, , в зависимости от состава x запрещенная зона в этом материале меняется от 2,1 эВ при x = 1 до 1,4 при x = 0).

За счет того, что сродство к электрону широкозонного материала c₂ < сродства к электрону узкозонного материала c₁, электроны перемещаются из широкозонного материала в узкозонный, у границы широкозонного материала образуется слой, обедненный электронами, нескомпенсированные донорные центры Þ уравнение электронейтральности для n-области нарушено r = q(N_D⁺ – n) ¹ 0. Электроны, попавшие в приграничную область полупроводника p-типа, также нарушают в нем электронейтральность r = q(–N_А^– + n) ¹ 0. За счет нескомпенсированных зарядов на границе n-p-областей появляется электрическое поле, которое препятствует переносу электронов, и равновесие наступает, когда дрейфовая и диффузионная составляющие сравниваются между собой. На рис. 14 изображены зонные диаграммы и GaAs до контакта и после между ними.

Рассмотрим возможность сильного легирования базовой области для снижения r_Б в транзисторе с гетероэмиттером. При контакте между широкозонным и узкозонным материалами за счет разрыва зон происходит образование потенциальных барьеров на границе раздела: потенциальный барьер в зоне проводимости DE_C: DE_C = c₁ – c₂ и DE_V потенциальный барьер в валентной зоне DE_V = DE_g – DE_C, где DE_g = E_g2 – E_g1. Именно потенциальный барьер DE_V препятствует инжекции дырок из базы в эмиттер, а следовательно позволяет увеличивать уровень легирования базы без ухудшения коэффициента эффективности эмиттера.

Рис.14 Зонные диаграммы и GaAs до и после контакта

при комнатной температуре имеет ширину запрещенной зоны 1,4эВ, а ширина запрещенной зоны меняется в зависимости от содержания , например, для , ширина запрещенной зоны 1,9эВ, в результате на чистой границе раздела возникает разрыв энергетической зоны, как в зоне проводимости, так и валентной зоне.

Для дырок движущихся из узкозонного полупроводникового материала в широкозонный существует потенциальный барьер высотой , то есть задача сводится к случаю прохождения квантовой частицы, в данном случае дырки через потенциальный барьер, когда потенциальный барьер > - энергии квазичастицы

В этом случае разбивали обьем пространство на 2 – области, в первой области при х<0, стационарное уравнение Шредингера, , ()

в второй области х>0 (), где Е – полная энергия квазичастицы. Волновой вектор (),

(),

где λ₁ и λ₂ – длины волн де Бройля в областях 1 и 2 соответственно.

Общее решения этих уравнений записывали в виде:

()

().

Из общего решения находили коэффициенты отражения от потенциального барьера и прохождения через него .

(), (),

В случае, когда , переход квазичастицы из области 1 в область 2 невозможен. При условии, что волновой вектор - становится мнимой величиной:

, (),

и подставляя (42) в (40), получаем, что коэффициент отражения сводится к перемножению комплексно сопряженных величин или к квадрату модуля:, а коэффициент прохождения .

На рис. 15 представлена одна из конструкций гетеробиполярного транзистора.

Рис. 15 Конструкция гетеротранзистора

Поле и потенциал гетероэмиттера.

Для нахождения поля и потенциала необходимо решить уравнение Пуассона, но в случае гетероперехода из-за разных свойств полупроводниковых материалов задача усложняется и необходимо решать уравнение Пуассона для каждого из материалов.

Для области эмиттера: (41),

Для области базы: (42), где – относительная диэлектрическая проницаемость узкозонного материала, а – уровень легирования базы.

Распределение поля в ОПЗ резкого гетероперехода, полученного эпитаксией, получаем распределение поля в областях пространственного заряда эмиттерной и базовой области:

для широкозонного эмиттера: (43);

для узкозонной базы; (44).

Токи, протекающие в БТ с гетероэмиттером

Эмиттер легирован слабее, чем база, чтобы уменьшить барьерную емкость эмиттерного перехода и сопротивление активной базы.

Рис. 16 Зонная диаграмма простого гетеробиполярного транзистора (с одним гетеропереходом).

Прикладываем к переходу эмиттер - база прямое смещение, к переходу коллектор-база – обратное. DE_V и DE_С не изменились, а потенциальные барьеры j_к1 и j_к2 понизились. Понижение барьера со стороны эмиттера приводит к тому, что из эмиттера в область базы инжектируются электроны.

Просуммируем токи, протекающие через эмиттер:

1) I_nЭ – электронная составляющая тока эмиттера, протекающая в базу при понижении потенциального барьера j_к2.

2) Из области базы в область эмиттера инжектируются дырки. Но дыркам нужно преодолеть два потенциальных барьера: (j_к1 – U₁) и DE_V. I_pЭ – дырочная составляющая.

Кроме этих двух токов возникают токи за счет несовершенства границы между широкозонным эмиттеров и узкозонной базой. На границе раздела двух полупроводников с различной постоянной решетки “а” возникают напряжения и дефекты. Эти дефекты называются поверхностными, их количество зависит от качества обработки поверхности и разницы “а”. N_tS – концентрация поверхностных глубоких уровней, на которых может происходить рекомбинация носителей заряда.

За счет дислокаций, несоответствия решеток дефекты прорастают вглубь широкозонного п/п материала и попадают в ОПЗ, где тоже может идти процесс рекомбинации. N_tВ – концентрация глубоких центров в объеме области пространственного заряда.

3) За счет поверхностных центров рекомбинации N_tS возникает рекомбинационный ток на поверхности границы раздела I_RS за счет ухода части электронов и дырок на рекомбинационные центры (носители заряда ушли, туда должны прийти другие носители заряда).

4) Аналогичная ситуация с рекоминационным током I_RВ, возникшим из-за присутствия N_tВ.

5) Электроны, перешедшие в область базы, перемещаются через нее; при этом часть из них рекомбинируют с дырками через глубокие центры, находящиеся в базовой области, и возникает рекомбинационный базовый ток I_RБ.

6) Одновременно с рекомбинацией через те же глубокие центры, может происходить генерация носителей заряда, за счет чего возникает генерационный ток базы I_ГБ.

Электроны, прошедшие без рекомбинации базовую область, проходят через ОПЗ коллектора и собираются в коллекторе, образуя ток коллектора I_К. Суммируя рассмотренные токи и учитывая их области протекания, получаем ряд уравнений.

;(52а)

; (52)

(52б).

Отсюда коэффициент передачи

(53).

Проанализируем, каким образом можно добиться максимального коэффициента передачи.

1) Подбираем условия роста и такие полупроводниковые материалы, чтобы исключить все рекомбинационные процессы: I_RB ® 0; I_RS ® 0; I_RБ ® 0;

Тогда (54).

j_n – потенциальный барьер для электронов, движущихся из эмиттера в базу;

j_p – потенциальный барьер для дырок, движущихся из базы в эмиттер. Максимальный коэффициент передачи зависит соотношения N_DЭ и N_AБ; чтобы оно было больше, нужно N_DЭ >> N_AБ. Но это не подходит, потому что мы хотим сделать W_Б маленькой Þ R_Б­.

2) Скорость электронов в базе v_n должна быть больше скорости дырок в эмиттере v_p: v_n > v_p. Это соотношение соблюдается всегда при диффузионном механизме, когда учитывается подвижность носителей заряда (m_n > m_p). Но чтобы это соотношение сделать больше, можно транзистор сделать дрейфовым. Чем больше будет направленное поле в области базы, тем больше будет скорость движения электронов. Для этого можно использовать следующие приемы:

а) Базу легируем неравномерно: у эмиттера – N_АБ^Э >> N_АБ^К – у коллектора.

В каждой плоскости базы концентрация определяет положение уровня Ферми. Чем сильнее легируем, тем ближе E_F к E_V. Существует разница между уровнями Ферми начала и конца базы DE_F. В этом случае встроенное электрическое поле равно: (55).

б) Построение варизонной базы (база с различной шириной запрещенной зоны). Для этого для базы нужно взять не двойное соединение, например, GaAs, а материал, ширина запрещенной зоны которого определяется составом, например, . Если у эмиттера состав такой, что x®1, а у коллектора x®0, то возникает DE_g и: (56).

В сильно легированной базе гетеробиполярного транзистора подвижность электронов уменьшается. Например, в GaAs-базе с концентрацией N_АБ » 8×10¹⁸ см^–3 подвижность электронов m_n = 2700 см²/В×с. Желательно так спроектировать базу, чтобы поля, которые мы встраиваем, были больше критического, и скорость электронов выходит на насыщение:

Е_кр = ( 2–4)×10³ В/см; v_n ® v_макс.

Пример. Разница в четыре порядка обеспечивает DE_F = 0,1 эВ, тогда поле . При базе 0,5 мкм В/см.

Если DE_g = 0,26 эВ, то t_прБ возрастает в 5 раз.

3) Выбираем такое значение DE_V, чтобы по возможности свести к нулю поток электронов из области базы в область эмиттера, главная задача – в n-p-n-гетеротранзисторе сделать как можно больше потенциальный барьер для дырок.

Электрон из эмиттера в базу попадает с избыточной энергией DE_С. Если мы обеспечим ему время пролета через базу меньше времени релаксации, электрон сохранит свою избыточную энергию. Этот электрон называется горячим, и его скорость примерно в 2 раза выше равновесного электрона. Наличие DE_С обеспечивает систему запуска горячих электронов.

Но если DE_С превысит 0,31 эВ (разница между Г- и L-долинами в GaAs), то электрон, перешедший в базу, будет находиться в L-долине, а там подвижность и скорость меньше. Поэтому обычно DE_С £ 0,26 эВ. Эмпирическая формула: DE_С =1,06×х (х – мольные доли Al); чтобы обеспечить 0,26эВ, Al_0,25Ga_0,75As.

При достаточно большом DE_V можно получить I_pЭ ® 0. Тогда

(57).

Итак,

1) мы стремимся так изготовить транзистор, чтобы I_RS¯, I_RB¯, I_RБ¯, тогда превалирующим током становится I_pЭ. Чтобы I_pЭ¯, нужно DE_V­;

2) с помощью DE_V мы сделаем I_pЭ ® 0, тогда начинают играть роль рекомбинационные токи I_RS, I_RB, I_RБ. Мы стараемся снизить I_RS и I_RB, I_RБ становится определяющим:

(58); выразив токи через врtмя жизни и время пролета через базу, убедимся, что для того, чтобы коэффициент передачи был максимальным, нужно сделать соотношение (59) как можно больше.

Основное требование для СВЧ-транзисторов для получения максимального коэффициента передачи необходимо DE_V увеличить, а время пролета через базу t_прБ снизить.

Коэффициент переноса

Из-за наличия DE_С и особенностей зонной структуры GaAs электроны, попавшие в базовую область гетеротранзистора, движутся с разными скоростями в зависимости от того, в какой из этих долин они находятся. ; отсюда , где b_L – коэффициент переноса для электронов, находящихся в L-долине, и , где b_Г – коэффициент переноса для электронов, находящихся в Г-долине.

Общее выражение для коэффициента переноса

, где .

Конструкция гетеробиполярного транзистора

Рис. 17. Oдна из конструкций гетеробиполярного транзистора

На рис. 17 представлена одна из конструкций гетеробиполярного транзистора. На полуизолирующем (ПИ) GaAs, который служит для жесткости, наносится слой 1 n⁺-GaAs-низкоомного коллектора, предназначенный для нанесения омического контакта, на него слой слаболегированного GaAs для высокоомного коллектора. На низкоомный коллектор (слой 1) наносится омический контакт; Ge для A^IIIB^V донор, поэтому при нанесении и вжигании часть германия переходит в GaAs и подлегирует подконтактную область. Слой 3 представляет собой сильнолегированный p-GaAs, служащий базой. 4 слой так называемый spacer – тонкий нелегированный слой GaAs, чтобы совместить параметры решетки узкозонного и широкозонного материала.. 5 слой – широкозонный эмиттер из n-Al_xGa_1–xAs. 6 – подконтактный слой n⁺-GaAs, для снижения переходного контактного сопротивления. Омический контакт тот же, как и у коллектора.

Для уменьшения коллекторной емкости и области пассивной базы проводят ионную имплантацию кислорода, причем энергию и базу выбирают так, чтобы слой кислорода простирался на всю базовую область. Кислород вносит глубокие центры, компенсирует GaAs, и в тех местах, где есть кислород, т.е. в пассивной части базы, GaAs более высокоомный следовательно ОПЗ увеличивается поэтому снижается пассивная коллекторная емкость и общая емкость коллектора. За счет этого время перезарядки коллекторной емкости меньше и возрастает граничная частота.

Рис. 18 Конструкция гетеробиполярного транзистора со стороны металлизации

Главный недостаток предложенной конструкции – прецизионное селективное травление и нанесение контактов на ступени малых размеров. Поэтому часто используют ионную имплантацию для создания подконтактных слоев к области базы.

Частотные свойства транзисторов и методы повышения рабочих частот

Для конкретного гетеробиполярного транзистора граничная частота рассчитывается по той же методике, как и в обычном СВЧ-транзисторе .(60)

Время пролета от эмиттера до коллектора состоит:

1. Время задержки эмиттера – связано с перезарядкой эмиттерной емкости:

(61).

Диффузионная емкость связана с инжекцией дырок из p-базы в n-эмиттер, в гетеротранзисторе за счет барьера DЕ_V, емкость С_Э^д уменьшается.

(62); для уменьшения барьерной емкости эмиттера необходимо увеличить ширину области пространственного заряда W_ОПЗ^Э.

На представленной на рис... конструкции эмиттерный переход представляет собой структуру .База сильно легирована для уменьшения r_Б, поэтому для увеличения W_ОПЗ^Э можно снизить уровень легирования n^–-области самого эмиттера. Если это не удается, можно уменьшить площадь эмиттерного перехода. Современная эмиттерная полоска А_Э = 1´20 мкм = 20×10^–8 см², при этом С_Э^б » (10¸15)фФ.

При малой площади эмиттерного перехода возникает проблема с величиной контактного сопротивления. Для контактного сопротивления малой величины требуется переходное контактное сопротивление на уровне r_к @ 10^–6 Ом×см². Но даже при этой величине сопротивление контакта r_конт » 5 Ом..

Поэтому при расчете времени перезарядки эмиттера t_Э необходимо добавить r_к: t_Э = (r_Э + r_конт^Э)×С_Э^б.(63)

2. Время пролета через базу, в случае, когда электроны двигаются через базу по диффузионному механизму, (64). Чтобы уменьшить время пролета через базу, как было сказано выше, в ней создаются электрические поля. В этом случае пролет определяется дрейфом электронов и (64a). Встроенные поля создаются либо за счет варизонной базы (64b) и время пролета равно (64c), либо за счет пременного легирования базы, при этом поле и время пролета .

3. Время пролета н.з. через ОПЗ коллекторного перехода: (65).

Часто , тогда скорость электронов насыщается и v = const = (1¸2)×10⁷ см/с.

4. Время задержки коллектора t_К = (R’_Э + R_Б)×С_К^б (66) (в схеме с ОЭ), где R’_Э = R_Э + R_конт^Э, . Вопросы уменьшения С_К^б были рассмотрены при анализе конструкции гетеротранзистора.

Большая пассивная база не имеет значения, т.к. r_БП определяется сильнолегированной p+-областью GaAs и оно не велико.

При расчете сопротивления коллектора нужно учитывать: R_К^n–– сопротивление активного коллектора, (R_Кⁿ⁺)’ – сопротивление n⁺-области коллектора, расположенного под активной базой, (R_Кⁿ⁺)’’ – сопротивление пассивной части и под контактом, R_конт – контактное сопротивление. Рассчитанные параметры и эквивалентная схема гетеробиполярного транзистора позволяет определить максимальную частоту генерации (67).

Основные направления оптимизации ГБТ

1. Слабое легирование эмиттера для малого С_Э^б.

2. Широкозонный эмиттер для повышения коэффициента эффективности эмиттера.

3. Сильнолегированная база для понижения R_Б.

4. Варизонная или неравномерно легированная база для создания поля в базовой области.

5. Высокая начальная скорость электронов за счет наличия DЕ_С между базой и эмиттером.

Быстродействие ГБТ в 3 раза выше, чем в Si-БТ.

Недостатки:

1. Накопление заряда в области базы в режиме насыщения. Нужно использовать двойной ГБТ, чтобы создать еще один барьер на границе база-коллектор.

2. Рекомбинация на границе раздела эмиттер-база и в базе. Из-за того, что граница раздела между широкозонным и узкозонным материалами, играет роль составляющая I_RS. Свойства пары материалов GaAs-Al_xGa_1–xAs таковы, что существует большая концентрация глубоких центров типа DX за счет существования Х-подзоны проводимости в Al_xGa_1–xAs, за счет этих дефектов большой рекомбинационный ток I_RB.

3. Сложность технологических приемов изготовления ГБТ.

Параметры: максимальная частота ~120 ГГц, лучшая граничная частота ~105 ГГц. В обычном 50 ГГц транзисторе время переключения ~3 пс.

Исходя из перечисленных недостатков при создании ГБТ используются не только Al_xGa_1–xAs/GaAs, но и другие пары, например, GaInAs/InP (GaInAs – в качестве узкозоннолго материала). Чтобы лучше совместить параметры решетки, используется четверное соединение GaInAsP/InP – в этом случае удается создать хорошую границу раздела, например, Ga_0,47In_0,53AsP/InP.

В InP и соединениях, включающих фосфор, максимальная скорость v = 2,5×10⁷ и в этих соединениях отсутствуют DX-центры.

Для снижения искажений решетки на границе раздела с помощью молекулярной эпитаксии и эпитаксии из металлоорганических соединений получают псевдоморфные структуры. Выращивают слои не более 10 межатомных расстояний (»50 Å) такого материала, у которого постоянная решетки отличается от постоянной решетки следующего материала на 0,1¸0,01 %. Таким образом, не наблюдается разрыва двух решеток, есть одна напряженная решетка. Нет большой концентрации дефектов, выравнивается поверхность и снижается ток поверхностной рекомбинации I_RS