Гетеропереходные биполярные транзисторы: принципы, материалы и применение.
Heterojunction bipolar transistor
Гетеропереходный биполярный транзистор (HBT): принцип работы, преимущества (высокая частота, эффективность). Применение в радиочастотных схемах и усилителях.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Гетеропереходный биполярный транзистор (HBT) – это тип биполярного переходного транзистора (BJT), в котором для эмиттера и базы используются различные полупроводниковые материалы, формирующие гетеропереход. HBT превосходит BJT в способности обрабатывать сигналы очень высоких частот, достигающих нескольких сотен ГГц. Он широко применяется в современных сверхбыстрых схемах, преимущественно в радиочастотных (RF) системах, а также в приложениях, требующих высокой энергоэффективности, например, в RF-усилителях мощности в сотовых телефонах. Идея использования гетероперехода возникла одновременно с обычным BJT и восходит к патенту 1951 года. Детальная теория гетеропереходного биполярного транзистора была разработана Гербертом Кромером в 1957 году.
The heterojunction bipolar transistor (HBT) is a type of bipolar junction transistor (BJT) which uses differing semiconductor materials for the emitter and base regions, creating a heterojunction. The HBT improves on the BJT in that it can handle signals of very high frequencies, up to several hundred GHz. It is commonly used in modern ultrafast circuits, mostly radio frequency (RF) systems, and in applications requiring a high power efficiency, such as RF power amplifiers in cellular phones. The idea of employing a heterojunction is as old as the conventional BJT, dating back to a patent from 1951. Detailed theory of heterojunction bipolar transistor was developed by Herbert Kroemer in 1957.
Материалы
Основное различие между BJT и HBT заключается в использовании различных полупроводниковых материалов для формирования эмиттерно-базового и базово-коллекторного переходов, что создает гетеропереход. Это ограничивает инжекцию дырок из базы в область эмиттера, поскольку потенциальный барьер в валентной зоне выше, чем в зоне проводимости. В отличие от BJT-технологии, это позволяет использовать высокую концентрацию легирования в базе, снижая сопротивление базы при сохранении коэффициента усиления. Эффективность гетероперехода измеряется коэффициентом Крёмера. Крёмер был удостоен Нобелевской премии в 2000 году за его работу в этой области в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. В качестве материалов для подложки используются кремний, арсенид галлия и фосфид индия, а для эпитаксиальных слоев – сплавы кремний/кремний-германий, арсенид алюминия-галлия/арсенид галлия и фосфид индия/арсенид индия-галлия. Особо перспективны широкозонные полупроводники, такие как нитрид галлия и нитрид индия-галлия. В SiGe-транзисторах с градиентной гетероструктурой концентрация германия в базе изменяется по градиенту, делая ширину запрещенной зоны у коллектора меньше, чем у эмиттера. Это сужение ширины запрещенной зоны приводит к переносу носителей в базе под действием электрического поля, что ускоряет прохождение носителей через базу и увеличивает частотную характеристику.
The principal difference between the BJT and HBT is in the use of differing semiconductor materials for the emitter base junction and the base collector junction, creating a heterojunction. The effect is to limit the injection of holes from the base into the emitter region, since the potential barrier in the valence band is higher than in the conduction band. Unlike BJT technology, this allows a high doping density to be used in the base, reducing the base resistance while maintaining gain. The efficiency of the heterojunction is measured by the Kroemer factor. Kroemer was awarded a Nobel Prize in 2000 for his work in this field at the University of California, Santa Barbara. Materials used for the substrate include silicon, gallium arsenide, and indium phosphide, while silicon / silicon germanium alloys, aluminum gallium arsenide / gallium arsenide, and indium phosphide / indium gallium arsenide are used for the epitaxial layers. Wide bandgap semiconductors such as gallium nitride and indium gallium nitride are especially promising. In SiGe graded heterostructure transistors, the amount of germanium in the base is graded, making the bandgap narrower at the collector than at the emitter. That tapering of the bandgap leads to a field assisted transport in the base, which speeds transport through the base and increases frequency response.
Изготовление
В связи с необходимостью изготовления HBT-устройств с чрезвычайно сильно легированными тонкими базовыми слоями, основным методом является молекулярно-лучевая эпитаксия. Помимо базового, эмиттерного и коллекторного слоев, высоколегированные слои наносятся с обеих сторон коллектора и эмиттера для обеспечения омического контакта, на которые затем, после воздействия фотолитографии и травления, наносятся контактные площадки. Контактный слой под коллектором, называемый субколлектором, является активной частью транзистора. В зависимости от используемой материальной системы применяются и другие методы. IBM и другие используют ультравысоковакуумную химическую газофазную эпитаксию (UHVCVD) для SiGe; для III-V систем применяются, в частности, MOVPE. Как правило, эпитаксиальные слои подбираются по параметрам решетки (что ограничивает выбор ширины запрещенной зоны и т.д.). Если соответствие решетке близкое, устройство является псевдоморфным, а если слои не соответствуют друг другу (часто разделены тонким буферным слоем), то оно является метаморфным.
Due to the need to manufacture HBT devices with extremely high doped thin base layers, molecular beam epitaxy is principally employed. In addition to base, emitter and collector layers, highly doped layers are deposited on either side of collector and emitter to facilitate an ohmic contact, which are placed on the contact layers after exposure by photolithography and etching. The contact layer underneath the collector, named subcollector, is an active part of the transistor. Other techniques are used depending on the material system. IBM and others use ultra high vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD) for SiGe; other techniques used include MOVPE for III V systems. Normally the epitaxial layers are lattice matched (which restricts the choice of bandgap etc.). If they are near lattice matched the device is pseudomorphic, and if the layers are unmatched (often separated by a thin buffer layer) it is metamorphic.
Пределы
Псевдоморфный гетеропереходный биполярный транзистор, разработанный в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, изготовленный из фосфида индия и арсенида индия-галлия и спроектированный с градиентным по составу коллектором, базой и эмиттером, продемонстрировал скорость отключения 710 ГГц. Помимо рекордной скорости, HBT на основе InP/InGaAs идеально подходят для монолитных оптоэлектронных интегральных схем. Фотодетектор PIN-типа формируется базово-коллекторными и подколлекторными слоями. Ширина запрещенной зоны InGaAs оптимальна для детектирования инфракрасных лазерных сигналов с длиной волны 1550 нм, используемых в системах оптической связи. При смещении HBT для получения активного устройства формируется фототранзистор с высоким внутренним усилением. Среди других областей применения HBT – смешанные сигнальные схемы, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
A pseudomorphic heterojunction bipolar transistor developed at the University of Illinois at Urbana Champaign, built from indium phosphide and indium gallium arsenide and designed with compositionally graded collector, base and emitter, was demonstrated to cut off at a speed of 710 GHz. Besides being record breakers in terms of speed, HBTs made of InP/InGaAs are ideal for monolithic optoelectronic integrated circuits. A PIN type photo detector is formed by the base collector subcollector layers. The bandgap of InGaAs works well for detecting 1550 nm wavelength infrared laser signals used in optical communication systems. Biasing the HBT to obtain an active device, a photo transistor with high internal gain is obtained. Among other HBT applications are mixed signal circuits such as analog to digital and digital to analog converters.