Биполярный транзистор с гетеропереходом

Биполярный транзистор с гетеропереходом ( HBT ) — это тип транзистора с биполярным переходом (BJT), в котором для областей эмиттера и базы используются разные полупроводниковые материалы, создавая гетеропереход . HBT совершенствует BJT тем, что может обрабатывать сигналы очень высоких частот, до нескольких сотен ГГц . Он обычно используется в современных сверхбыстрых схемах, в основном в радиочастотных (РЧ) системах, а также в приложениях, требующих высокой энергоэффективности, таких как усилители мощности ВЧ в сотовых телефонах . Идея использования гетероперехода так же стара, как и обычный биполярный транзистор, и восходит к патенту 1951 года. ^[1] Подробная теория биполярного транзистора с гетеропереходом была разработана Гербертом Кремером в 1957 году. ^[2]

Материалы

Принципиальное различие между BJT и HBT заключается в использовании разных полупроводниковых материалов для перехода эмиттер-база и перехода база-коллектор, создавая гетеропереход. Эффект заключается в ограничении инжекции дырок из базы в область эмиттера, поскольку потенциальный барьер в валентной зоне выше, чем в зоне проводимости. В отличие от технологии BJT, это позволяет использовать в базе высокую плотность легирования, снижая сопротивление базы при сохранении усиления. Эффективность гетероперехода измеряется фактором Кремера. ^[3] Кремер был удостоен Нобелевской премии в 2000 году за свою работу в этой области в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.

Материалы, используемые для подложки, включают кремний, арсенид галлия и фосфид индия кремний/ сплавы кремний-германий , арсенид алюминия-галлия /арсенид галлия и фосфид индия / арсенид индия-галлия , а для эпитаксиальных слоев используются широкозонные полупроводники , такие как нитрид галлия и нитрид индия-галлия . Особенно перспективны .

В SiGe- транзисторах с градуированной гетероструктурой количество германия в базе варьируется, что делает запрещенную зону на коллекторе уже, чем на эмиттере. Такое сужение запрещенной зоны приводит к переносу с помощью поля в базе, что ускоряет транспорт через базу и увеличивает частотную характеристику.

Изготовление

Из-за необходимости производства устройств HBT с тонкими базовыми слоями с чрезвычайно высокой степенью легирования молекулярно-лучевая эпитаксия в основном используется . В дополнение к слоям базы, эмиттера и коллектора по обе стороны от коллектора и эмиттера наносятся высоколегированные слои для облегчения омического контакта , которые помещаются на контактные слои после воздействия фотолитографией и травлением. Контактный слой под коллектором, называемый субколлектором, является активной частью транзистора.

В зависимости от материальной системы используются и другие методы. IBM и другие компании используют химическое осаждение из паровой фазы в сверхвысоком вакууме (UHVCVD) для SiGe; другие используемые методы включают MOVPE для III-V систем .

Обычно эпитаксиальные слои имеют согласованную решетку (что ограничивает выбор ширины запрещенной зоны и т. д.). Если они почти совпадают по решетке, устройство является псевдоморфным , а если слои не совпадают (часто разделены тонким буферным слоем), оно является метаморфическим .

Пределы

Было продемонстрировано , что биполярный транзистор с псевдоморфным гетеропереходом, разработанный в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн , построенный из фосфида индия и арсенида индия-галлия и имеющий композиционно-градуированный коллектор, базу и эмиттер, отключается на частоте 710 ГГц. ^[4]^[5]

являются рекордсменами по скорости, Помимо того, что HBT из InP / InGaAs они идеально подходят для монолитных оптоэлектронных интегральных схем. Фотоприемник PIN-типа образован слоями база-коллектор-подколлектор. Ширина запрещенной зоны InGaAs хорошо подходит для обнаружения сигналов инфракрасного лазера с длиной волны 1550 нм , используемых в оптических системах связи. Смещая HBT для получения активного устройства, получается фототранзистор с высоким внутренним коэффициентом усиления. Среди других приложений HBT — схемы смешанных сигналов, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

См. также

Ссылки

^ В. Шокли: «Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал», патент США 2,569,347, 1951.
^ Герберт Кремер (1957). «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов». Труды ИРЭ . 45 (11): 1535–1537. дои : 10.1109/JRPROC.1957.278348 . S2CID 51651950 .
^ Фототранзисторный эффект : «Фактор Кремера является функцией физических параметров материалов, составляющих гетеропереход, и может быть выражен следующим образом [приведена формула]»
^ Биполярные транзисторы с псевдоморфным гетеропереходом на основе 12,5 нм, обеспечивающие f _T = 710 ГГц, f _T = 710 ГГц и f _MAX = 340 ГГц Hafez et al, Appl. Физ. Летт. 87, 252109, 2005 г. дои : 10.1063/1.2149510
^ Фосфид индия: выход за пределы частоты и интеграции. Полупроводники сегодня. Том 1, выпуск 3. Сентябрь 2006 г.

Внешние ссылки

NCSR HBT в Wayback Machine (архивировано 4 апреля 2008 г.)
Оптоэлектронные схемы HBT, разработанные в Технионе (15Мб, 230p)
Новая структура материала позволила создать самый быстрый в мире транзистор с частотой 604 ГГц. Начало 2005 г.

[1] В. Шокли: «Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал», патент США 2,569,347, 1951.

[2] Герберт Кремер (1957). «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов». Труды ИРЭ . 45 (11): 1535–1537. дои : 10.1109/JRPROC.1957.278348 . S2CID 51651950 .

[3] Фототранзисторный эффект : «Фактор Кремера является функцией физических параметров материалов, составляющих гетеропереход, и может быть выражен следующим образом [приведена формула]»

[4] Биполярные транзисторы с псевдоморфным гетеропереходом на основе 12,5 нм, обеспечивающие f _T = 710 ГГц, f _T = 710 ГГц и f _MAX = 340 ГГц Hafez et al, Appl. Физ. Летт. 87, 252109, 2005 г. дои : 10.1063/1.2149510

[5] Фосфид индия: выход за пределы частоты и интеграции. Полупроводники сегодня. Том 1, выпуск 3. Сентябрь 2006 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]