Лекция 14

Вид материала

Лекция

Содержание Приборы, имеющие две рабочие области. Приборы, имеющие три рабочие области. Другие типы приборы на вертикальном транспорте.

Подобный материал:

• «Социальная стратификация и социальная мобильность», 46.19kb.
• Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
• Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность, 2876.59kb.
• Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
• Собрание 8-511 13. 20 Лекция 2ч режимы работы эл оборудования Пушков ап 8-511 (ррэо), 73.36kb.
• Концепция тренажера уровня установки. Требования к тренажеру (лекция 3, стр. 2-5), 34.9kb.
• Лекция по физической культуре (15. 02.; 22. 02; 01. 03), Лекция по современным технологиям, 31.38kb.
• Тема Лекция, 34.13kb.
• Лекция посвящена определению термина «транскриптом», 219.05kb.
• А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.

11.04.00.

Лекция 14.

4. Электронные приборы с 2D-структурами, основанные на поперечном переносе зарядов.
   

Исторически, идея полевого транзистора высказывалась уже в 1920^х - 1930^х годах [435а], но первые полупроводниковые приборы, которые появились в промышленности, были электронные приборы, использующие поперечный перенос через барьеры, которые создавались легированием, как, например, n-p диоды и биполярные Ge и Si транзисторы. МОП транзисторы в настоящее время являются более простыми в изготовлении и наиболее часто встречаются в различных микросхемах, однако и приборы, основанные на поперечном (вертикальном) переносе носителей тока, используются достаточно часто.

Из предыдущей части видно, что важным ограничением для применения полевых транзисторов как высокочастотных приборов является время переноса носителей под активной частью затвора, поэтому необходимо уменьшать длину затвора до технологически возможной.

Наименьшая длина активной области может быть получена в процессе эпитаксиального выращивания. Таким образом, оказывется, что использование поперечного переноса может привести к увеличению быстродействия приборов по сравнению с параллельным переносом. Кроме того, необходимо отметить, что ток, переносимый носителями по поперечной структуре, сильно зависит от площади прибора и, следовательно, выходная мощность на высоких частотах может достигать больших значений при увеличении площади.

Преимущество использования гетероструктур в приборах с поперечным переносом заключается в возможности получения структур с резкими границами барьеров. Объединение нескольких слоев гетероструктуры в сложную систему позволяет сделть подобные приборы многофункциональными (см. тунельный транзистор, RHET структуры и др.)


а. Приборы, имеющие две рабочие области.

Простейшим примером прибора с двумя рабочими областями является диод с двумя барьерами, подробно рассмотренный в части 19. Диод с двумя барьерами имеет область отрицательной дифференциальной проводимости, в которой система нестабильна. При помещении диода в волновод такой диод может генерировать колебания с частотой, определяемой внешней цепью. На рисунке 83 показано, как отрицательное дифференциальное сопротивление может приводит к колебаниям: диод, представленный на рисунке в эквивалентной схеме, соединен с сопротивлением нагрузки через LC - цепочку. Напряжение, являющееся откликом на флуктуацию тока, в форме преобразования Лапласа имеет вид:

(90)

Данное выражение может быть переписано:

(91)

где , и . Таким образом, в случае сигнала в виде импульса тока отклик системы:

(92)

Видно, что если R_L, то >0, и любая малая флуктуация тока будет приводить к началу осцилляций с экспоненциально возрастающей амплитудой. Конечно, через некоторый интервал времени амплитуда колебаний установится на определенном значении, т.к. среднее динамическое спротивление диода тоже нелинейно возрастает.

Такие микроволновые диоды применяются в гораздо большем числе случаев, чем диоды Ганна [421]: в последних скорость фиксированного числа электронов, участвующих в процессе переноса заряда, уменьшается при увеличении поля (см. рис. 78). Если электрическое поле превышает критическое значение, соответствующее максимальному значению скорости, то значение тока уменьшается при повышении напряжения в приборе.

Диод с двумя барьерами имеет большое сходство с классическим тунельным диодом или диодом Есаки [421], который является сильно легированным p-n переходом. Для малого приложенного напряжения электроны могут туннелировать через запрещенную зону полупроводника. При увеличении напряжения такой процесс становится невозможным, т.к. электроны не встречают сотояний, на которые могут туннелировать, ток в цепи падает.

Для рассмотрения диода с резонансным туннелированием можно использовать теорию, развитую для диодов Есаки. Главным различием этих двух типов диодов является то, что диод с двумя барьерами - это структура с малым уровнем легирования, и истощенный слой между барьерами и коллектором может быть довольно большой, поэтому емкость такого диода может быть сделана достаточно малой. Это дает возможность получить высокие частоты при таких напряжениях, при которых эффекты ограничения скорости еще не будут играть существенной роли. Таким образом, в работе [436] было показано, что диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением могут достигать частот 2.5 ТГц, т.е. время отклика системы оказывается меньше, чем 10^-13 с.

В реальных условиях работы максимально возможная частота определяется паразитным сопротивлением, индуктивностью и импедансом диода и волновода. Обозначим емкость диода как C_d, сопротивление - как R_s, индуктивности между эмиттером и барьерами как L_s ; тогда реальная часть импеданса эквивалентной схемы, представленной на рис. 83, имеет вид:

(92а)

Для поддержания колебаний это сопротивление должно быть отрицательно, так что максимальная частота записывается в виде:

(92б)


Из выражения (92б) видно, что для получения высокочастотных колебаний необходимо, чтобы емкость системы была мала, и значение дифференциального сопротивления было мало (т.е. т.е. должна быть резкой крутизна I-V характеристики и велико значение отношения величины тока в максимуме к величине тока в минимуме); также должно быть мало сопротивление R_s.

Эти условия накладывают ограничения на выходную мощность диода. Во-первых, очень трудно согласововать малое полное выходное сопротивление с волноводом или антенной. Во-вторых, для выхода волн большой амплитуды необходимо большое значение тока и большой размах амплитуды напряжений в активной части диодной характеристики, которое получается из-за большого значения плотности тока и большого абсолютного значения дифференциального сопротивления.

Все эти эффекты были получены в диодах с толстыми барьерами, которые имеют большую плотность тока при малом отношении тока в максимуме к току в долине и малой критической частоте. Если предположить, что значение отрицательной дифференциальной проводимости постоянно между максимумом тока I_p и напряжением V_p и минимумом тока в долине I_v, V_v, то максимальная мощность равна:

(92в)


для согласованного сопротивления нагрузки. Данное выражение показывает, что разность значений тока в максимуме и минимуме играет большую роль для получения мощности, чем просто отношение этих двух параметров.

Разработки генераторов, основанных на диодах с двумя барьерами, практически полностью велись группой ученых при MIT [437]; они получили самую высокую частоту (1989) - 420 ГГц с выходной мощностью 0.2 мВт. Такой диод имел AlAs барьеры толщиной 1.1 нм. Сильная нелинейная I-V характеристика диода была получена этой группой MIT также для демонстрации высокочастотного смешивания и пятикратного умножения частоты с хорошими переходными характеристиками [437].


Б. Приборы, имеющие три рабочие области.

Биполярные транзисторы с гетероструктурами.

Во многих случаях необходимо иметь приборы, имеющие больше двух рабочих областей. Биполярный транзистор, в котором база p- типа создает барьер для проникновения электронов из n- эмиттера в n- коллектор, является стандартным примером прибора, имеющего три рабочие области [421] (см. рис. 84а). Очевидным преимуществом таких структур является малая толщина базы w_B, что позволяет электронам пересекать её. Стандартная диффузионная теория биполярного транзистора дает следующее выражения для плотности тока коллектора:

(92г)


где V_BE - напряжение между эмиттером и базой, n_p0 - равновесная плотность электронов в базе и эмиттер легирован больше, чем база. Это выражение может интерпретировано как средняя диффузионная скорость по сравнению со средней скоростью электронов, инжектированных в базу. Экспоненциальная зависимость от V_BE приводит к большому значению крутизны, особенно при больших уровнях тока:

(92д)


Это находит большое применение в цифровых приборах, т.к. для изменения сигнала в этом случае требуется меньшее изменение входного напряжения. С другой стороны, малый переносимый заряд, находящийся в базе, приводит к меньшему значению емкости С:

(92е)


где n_p - плотность неосновных носителей в базе. Таким образом, мы видим, что величина и с этой точки зрения является важнейшим параметром, который определяет время, необходимое для прохождения электрона по базе.

Т.о. для получения максимально возможного быстродействия прибора необходимо уменьшать толщину базы. Т.к. емкость заряжена через базу (и эмиттер), то в то же время необходимо увеличивать легирование базы, чтобы уменьшить ее сопротивление. Можно попытаться провести некоторую аналогию между полевым и биполярным транзисторами, где длина затвора соответствует толщине базы, входное сопротивление истока - входному сопротивлению эмиттера, время прохождения носителей под затвором - времени прохождения носителями по базе, и сопротивление базы - сопротивлению затвора. Сравнивая таким образом эти две структуры, Ладбрук [437а] получил отношение коэффициентов усиления по мощности:


(92ж)


где X - длины, на которые влияют отношения (поле затвора)/(истощенные слои),  - удельное сопротивление металла/базы, Z - ширина затвора/базы, и h - толщина затвора. Для обычных значений параметров это отношение близко к единице, так что невозможно решить, кроме как исследовать преимущества в технологии, какой из приборов предпочтительней. Для детального сравнения можно посмотреть работу Лонга [437б] и ранее упоминавшуюся статью Соломона [430е].

Однако, тот факт, что истощенные области между эмиттером и базой имеют макроскопические размеры, может в большой степени быть устранен использованием гетеросоединений, в которых изменение границ происходит на атомной шкале между эмиттером и базой. Эмиттер создается n- типом AlGaAs, база - p- типом GaAs и коллектор n- типом GaAs. Такая структура является биполярным транзистром на гетеросоединениях (ГБТ). Схематическая зонная диаграмма ГБТ представлена на рис. 84б. Т.к. ток, протекающий через базу, в основном определяется инжекцией дырок из базы в эмиттер, то барьер гетеросоединения для дырок резко уменьшает ток базы, таким образом, увеличивая коэффициент усиления по току и/или допуская сильное легирование (даже выше, чем в эмиттере, особенно это важно в GaAs транзисторах, т.к. очень трудно технологически легировать материал примесями n- типа более, чем 10¹⁹ см^-3) с низким сопротивлением базы. Заметим, что при расчете скорости электрона в выражении (92г) учитывается только диффузионная составляющая. В кремниевом биполярном транзисторе увеличение скорости получают путем постепенного легирования базы, что создает псевдополевую дрейфовую составляющую скорости.

В ГБТ для получения еще большей скорости носителей в материал базы вводят алюминий, концентрация которого уменьшается при движении от эмиттера к коллектору. Такой способ легирования приводит к появлению дополнительного ускоряющего внешнего поля. Кроме того, существование баллистических электронов, проходящих по базе без столкновений, как это было описано в части 21б, также приводит к резкому увеличению скорости, по сравнению, например, с кремниевым транзистором, имеющим ту же ширину базы.

Для цифровых приборов упрощенное выражение для времени задержки в обычной цепи было расчитано Тангом и Соломоном [437в]:


(92з)


где k_1,2,3 - некоторые константы. Первое слагаемое представляет собой время, необходимое для зарядки емкости (92е) через сопротивление базы r_B; второе - время прохождения носителями по базе; третье - время зарядки всех остальных выходных емкостей транзистора через сопротивление нагрузки. Первое слагаемое в первом приближении пропорционально току, протекающему через коллектор (92е), второе слагаемое не зависит от тока, а третье - обратно пропорционально току, т.к. R_L соответствует фиксированному изменению сигнала . Качественное поведение этих трех явлений показано на рис. 84в. Минимальное время задержки эмпирически найдено и равно I_C 100 кA/см^-2. Таким образом, можно получать очень быстро работающие цепи потому, что малый входной сигнал может быть подан, но при этом получаем большую диссипацию энергии, которая ограничивает уровень интеграции.

Для уменьшения влияния паразитных параметров некоторые интегральные схемы имеют усовершенствования: выращивая серии узкозонных слоев GaInAs и GaAs на вершине эмиттерного слоя, можно существенно уменьшить входное сопротивление эмиттера [438], а так же вводя In в базу псевдоаморфного ГБТ можно еще больше уменьшить сопротивление базы [438а].

Из краткого описания, данного выше, видно, что существует большой ряд экономических и технологических проблем для выпуска ГБТ. Тем не менее, последние данные говорят о достижении отличных результатов в данной области: время отклика системы составляло 3.8 пкс/(изменение сигнала) при комнатной температуре в кольцевых осцилляторах [439], 1/4 делители частоты работали пр 35 ГГц [440], плотность мощности составляла 4.4 Вт/мм при 10 ГГц с КПД 42% [441].

В структурах на основе InP с эмиттером из InP и GaInAs базой и коллектором, или с AlInAs эмиттером были получены очень высокие частоты: в последних критическая частота при работе транзистора в качестве усилителя по току были достигнуты частоты 52 ГГц и 80 ГГц, в экспериментальных образцах полученная критическая частота была равна 244 ГГц при температуре 80 К.

Для подробного изучения различных типов биполярных транзисторов на гетероструктурах мы рекомендуем обратиться к работам [31,445,446].


Другие типы приборы на вертикальном транспорте.

Иногда диод с двумя барьерами, в котором потенциал в квантовой яме контролируется третьим контактом, называют биполярный квантовый транзистор с резонансным туннелированием (BiQuaRTT) [447]: квантовая яма оказывается слишком тонкой для того, чтобы сделать к ней контакт, если этот контакт легирован n- типом, как и эмиттер и коллектор. Поэтому между ямой и другими областями вводят изолятор р- типа. В такой структуре резонансные условия контролируются напряжением эмиттер-яма, и на таком транзисторе могут быть получены своеобразные характеристики, имеющие область отрицательной дифференциальной проводимости.

Использование гетеросоединений для создания барьеров в полупроводниковых структурах дает возможность создания транзисторов, использующие лишь один тип носителей. Простейшим примером такой структуры является транзистор на горячих электронах (ТГЭ) и транзисторный усилитель на горячих электронах с туннельным эффектом (THETA (англ.)). На рис. 85а и 85б показана зонная диаграмма такого прибора. Видно, что в обеих структурах AlGaAs барьер необходим для инжекции электронов, которые, попадая в базу, имеют достаточно большую кинетическую энергию, чтобы пролететь по ней очень быстро, возможно даже в баллистическом режиме. На таком эффекте появления горячих электронов в системе можно создавать высокочастотные приборы. Изменяя напряжение база-коллектор и используя второй барьер в качестве анализатора распределения электронов по энергии, можно измерять число баллистических электронов. Большинство исследований AlGaAs/GaAs ТГЭ и THETA было проведено Йокоямой и др. [24, 449] и Гайблюмом и др. [450]. Хотя в разрабатываемых структурах значение коэффициента усиления по току и превышало 9 [451] при ширине базы 30 нм, все еще существуют препятствия для налаживания серийного выпуска таких устройств. В работе [451] было расчитано, что порядка 75% электронов пролетают по базе без рассеяния при ширине GaAs базы 29 нм. Используя псевдоаморфный GaInAs базы, Зео и др. получили значение коэффициента усиления по току равное 27 при 77 К [452], а в системах AlSb_0.92As_0.08 (эмиттер) InAs (база) GaSb (коллектор) при комнатной температуре достигали 10 [453].

Недавно был разработан биполярный транзистор с туннельным эмиттером, который является неким гибридом транзистора на горячих электронах (ТГЭ) и биполярный транзистор на гетеросоединениях (ГБТ) [454]. В такой структуре тонкий слой AlAs эмиттера, дополнительно введенный в GaAs биполярный транзистор, позволяет проходить в базу только горячим электронам. База шириной 50 нм создавалась таким образом, чтобы попадающие горячие электроны пролетали по ней без рассеивания. На таких структурах достигалась частота работы, превышающая 40 ГГц [454].

Последний прибор на вертикальном транспорте, который мы бы хотели рассмотреть в данной книге, это транзистор на горячих электронах с резонасным туннелированием (ТГЭРТ), являющийся объединением идеи ТГЭ с резонансным туннелированием [455], а также биполярный транзистор с резонансным туннелированием (БТРТ). Видно, что двойной барьер, созданный в эмиттере, играет роль фильтра, позволяя проходить в базу только электронам, имеющим резонансную энергию. Такие электроны уже являются горячими. Интересно рассмотреть работу транзистора в области с отрицательной крутизной в коллекторе в режиме отрицательной дифференциальной проводимости в двойном барьере, как показано на рис. 87. ТГЭРТ может быть использован для создания новой логической функции: при подаче двух логических напряжений на базу, видно, что эмиттерный ток будет большим тогда и только тогда, когда одно из напряжений велико, т.е. имеет логическую “единицу”; если оба сигнала низкие (логические “нули”) или высокие (логическую “единицу”), то эмиттерный ток мал. Такие цепи (см. рис. 87) были рассмотрены Йокоямой и др. [457]. БТРТ отличает от ТГЭРТ только тем, что база транзистора легирована р- типом.

Мы не пытаемся здесь представить все приборы, использующие предлагаемые свойства тонких слоев гетеросоединений - их огромное количество. Большое число обзоров по различным подобным структурам появилось за последнее время, где читатель сможет легко найти нужные для него сведения: ссылки на такие раборы можно найти в двух книгах, изданных Капассо [437] и Капассо и Магаритондо [439], а также в других частях в секции 24 серии “Semiconductors and Semimetals” [20, 21, 31].