Унч для начинающих на транзисторах. Гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT): принцип работы и преимущества

Компьютеры 3-го поколения были запрограммированы с использованием языков высокого уровня (FORTRAN, COBOL, PASCAL, BASIC, ALGOL-68 и т.д.).

Atari 7800 — материнская плата

В компьютерах 4-го и 5-го поколения используются микропроцессорные микросхемы.

Компьютеры 4-го поколения: микропроцессоры

В 1970-х годах в компьютерах 4-го поколения использовались схемы сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Схемы СБИС, содержащие около 5000 транзисторов на одном кристалле, называемом микропроцессором .

Компьютеры четвертого поколения стали более мощными, компактными, надежными и доступными. Они начали революцию в области персональных компьютеров (ПК).

Компьютеры 5-го поколения: сегодня

Период пятого поколения 19 лет.80-наст. В пятом поколении технология VLSI стала технологией ULSI (Ultra Large Scale Integration), что привело к производству микропроцессорных микросхем с десятью миллионами электронных компонентов.

Закон Мура

Скорость увеличения количества транзисторов обычно соответствует закону Мура, согласно которому количество транзисторов удваивается примерно каждые два года . По состоянию на 2016 год наибольшее количество транзисторов в коммерчески доступных однокристальных процессорах превышало 7,2 миллиарда.

Общие сведения о гетеропереходных биполярных транзисторах (HBT)

Радха Сетти, технический консультант, Mini-Circuits

Введение

До изобретения транзистора телефонные станции строились с использованием громоздких вакуумных ламп и механических реле. Перед инженерами Bell Labs была поставлена ​​задача разработать транзистор (сочетание «передаточный резистор») как меньшую и менее громоздкую альтернативу существующей технологии. Изобретение в 1947 году ознаменовало начало полупроводниковой промышленности, навсегда изменившей мир. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли будут удостоены Нобелевской премии по физике в 1919 г. 57 за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Транзисторы окажут глубокое влияние на быстрое развитие технологий от беспроводной связи к вычислениям и, в конечном счете, сформируют ландшафт информационного века. [1,2]

Самая ранняя версия устройства, которая должна была быть разработана и произведена, представляла собой однопереходный транзистор с использованием германия. Вскоре его заменил кремний, так как германий перестает работать при температуре выше 75°C [2], что делает его непрактичным для большинства применений. Постепенное улучшение характеристик, особенно рабочей частоты, побудило американского физика немецкого происхождения Герберта Кремера разработать теорию биполярного транзистора с гетеропереходом (HBT), в котором используются два или более различных полупроводниковых материала с разной шириной запрещенной зоны [3] для обеспечения работы на высоких частотах. Его работа принесла ему Нобелевскую премию в 2000 году [4]. Хотя теория была предложена еще в 1957 [4], производство HBT пришлось ждать до 1977 г. , когда появилось оборудование, способное его производить; сначала с помощью MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия), а затем с MOCVD (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы) [5].

Следуя отраслевой тенденции к более широкому внедрению полупроводниковых технологий, Mini-Circuits представила широкополосные усилители MMIC серий MAR и MAV, в которых используется технология кремниевых гомопереходов, работающих на частоте до 2 ГГц. Удобство использования, выдающаяся производительность и низкая стоимость сделали эти устройства любимцами схемотехников. Но по мере того, как технология HBT стала доступной, были разработаны усилители серии ERA, использующие технологию HBT, сначала доведя рабочую частоту до 8 ГГц, а затем до 20 ГГц. Эти усилители не только увеличили рабочую частоту и обеспечили превосходный OIP3 (точка пересечения выходного сигнала третьего порядка), но и еще больше упростили использование. Большинство усилителей HBT имеют широкополосное согласование на кристалле и поэтому требуют минимального количества внешних компонентов. Кроме того, HBT обеспечивают превосходный шум 1/f по сравнению с устройствами pHEMT, и по этой причине они предпочтительны в некоторых приложениях, таких как усилители и генераторы.

В этой статье объясняется физика транзисторов с гомо- и гетеропереходом и обсуждаются преимущества конструкций усилителей HBT. Представлены результаты исследований надежности усилителей Mini-Circuits HBT, а также дана ссылка на полный портфель MMIC Mini-Circuits, разработанных с использованием технологии HBT. Настоятельно рекомендуется, чтобы читатели ознакомились с двумя предыдущими статьями этой серии по основам радиочастотных полупроводников [6] и технологии pHEMT [7], опубликованными в блоге Mini Circuits, чтобы получить наиболее полное представление об этой статье.

Transistor-Configurations

Прежде чем мы перейдем к преимуществам HBT по сравнению с гомопереходными транзисторами, полезно рассмотреть основы транзисторов, символы и режимы работы.

Рис. 1. Транзисторы NPN и PNP.

Транзистор имеет три зоны; эмиттер, база и коллектор, и могут быть построены двумя разными способами, как NPN или PNP. NPN-транзистор имеет эмиттер, легированный N, базу, легированную P, за которой следует коллектор, легированный N, как показано на рисунке 1a) и представлено схематично на рисунке 1b). Неудивительно, что PNP-транзистор имеет эмиттер, легированный P, и базу, легированную N, за которой следует коллектор, легированный P, как показано на рисунке 1c) и схематично представлено на рисунке 1d). Направление стрелки на схемах 1b) и 1d) указывает на протекание тока, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении.

Переходы эмиттер-база и база-коллектор могут иметь прямое или обратное смещение, что приводит к четырем возможным комбинациям и вариантам использования [8], как показано в Таблице 1.  В этой статье конкретно рассматривается прямодействующий режим NPN, используемый в усилителях. В транзисторе NPN поток тока управляется электронами, имеющими большую подвижность, чем дырки, что приводит к более высокой рабочей частоте.

На рис. 2 показаны три возможные конфигурации NPN-транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Транзистор PNP также имеет аналогичную конфигурацию.

Рис. 2. Конфигурации смещения для NPN-транзистора.

В транзисторе эмиттер «испускает» электроны или дырки, которые «собираются» коллектором. Так что же такое база? Этим вопросом задаются многие начинающие и опытные инженеры. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора [9].] и лауреат Нобелевской премии описывает базу как «оригинальную структуру транзистора с точечным контактом, состоящую из пластины из германия n-типа и двух линейных контактов из золота, поддерживаемых пластиковым клином». Он продолжает: «Название «база», которое произошло от этой структуры, не имеет функционального значения, как «эмиттер» и «коллектор». См. Рисунок 3а для изображения исходного точечного транзистора и 3b) для его схематического изображения [9, 10].

Рисунок 3: Оригинальный транзистор с точечным контактом.

В транзисторе, работающем в прямом направлении, небольшой ток базы управляет большим током коллектора, что приводит к усилению. Итак, у нас есть усилитель. В транзисторе NPN электроны из эмиттера попадают в базу путем диффузии, и их импульс переносит их к коллектору, где они собираются. Поскольку база относительно тонкая, в базе теряется очень мало электронов.

Обзор: Compound Semiconductors

По причинам, которые мы вскоре объясним, в HBT используются составные полупроводники. Давайте рассмотрим основы составных полупроводников.

В таблице 2 показан неполный список используемых элементов в центральной части периодической таблицы.

Таблица 2: Центральная часть периодической таблицы [4].

Два или более дискретных элемента в Таблице 2 могут быть использованы для формирования составных полупроводников. В центре таблицы кремний (Si) и германий (Ge). Сплав Si и Ge, SiGe (пр. «SIGH-gee») используется в качестве одного из материалов в кремниевых ГБТ.

Согласно Крамеру [4], каждый элемент в столбце III может быть объединен с каждым элементом в столбце V с образованием так называемого соединения III-V. GaAs является одним из таких примеров. В HBT типичным примером является арсенид алюминия-галлия, AI _x Ga 9.0317 1-x As где x — доля позиций столбца III в кристалле, занятых атомами Al, а 1-x — атомами Ga. Следовательно, у нас есть не просто 12 отдельных соединений, а непрерывный ряд материалов в зависимости от концентрации каждого из них в кристаллической структуре. В результате становится возможным создавать гетероструктуры с плавным изменением состава, в которых состав изменяется непрерывно, а не скачкообразно по всей структуре устройства. Это было в центре внимания Нобелевской лекции Кремера об открытии HBT. См. Рисунок 4 для графического изображения некоторых соединений [7].

Рис. 4. Зависимость постоянной решетки от ширины запрещенной зоны различных полупроводниковых материалов.

Физика работы биполярного транзистора с гомо- и гетеропереходом (HBT)

Главный вопрос: что такое HBT и как структуры с гетеропереходом улучшают работу транзистора? Диаграмма энергетических диапазонов может помочь ответить на этот вопрос. Учебное пособие по диаграммам энергетических диапазонов см. в предыдущей статье [6] в блоге Mini Circuits. На рисунке 5 показана диаграмма энергетических зон для HBT и NPN-транзисторов с гомопереходом в прямом активном режиме. Уровень вакуума не показан для простоты.

Электроны, инжектированные из эмиттера, преодолевают энергетический барьер qV _n путем диффузии и попадают в базу. В общем, ширина базы невелика, и поэтому большая часть электронов проходит через базу из-за своего импульса и собирается коллектором. Однако небольшое количество электронов теряется из-за рекомбинации в области обеднения эмиттер-база и в области базы.

Теперь рассмотрим отверстия в основании, которых больше всего. Они попадают в излучатель, преодолевая энергетический барьер qV _ph и qV _p в транзисторе с гомопереходом и гетеропереходом соответственно. Обратите внимание, что qV _p больше, чем qV _ph на ΔE _g , что является ключом к улучшению работы HBT, как мы увидим позже.

Различные токи в транзисторе, показанном на рисунке 5b), следующие:

I _n : ток электронов от эмиттера к базе

I _p : дырочный ток от базы к эмиттеру

I _s : ток, обусловленный рекомбинацией электронов/дырок в смещенном вперед слое объемного заряда эмиттер-база

I _r : ток, обусловленный объемной рекомбинацией в базе

I _E : ток излучения = I _N + I _P + I _S

I _C : Collector Current = I _N — I R B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B . базовый ток = I _p + I _r + I _s

Пренебрегая I _CO , обратный ток коллектор-база, коэффициент усиления по току с общим эмиттером определяется: , максимально достижимое значение β равно [11]:

Где:

N _e и P _b — уровни легирования эмиттера и базы соответственно.

v _nb и v _pe   — средние скорости электронов от эмиттера к базе и дырок от базы к эмиттеру соответственно, обычно 5 <   /  < 50.

k _b — постоянная Больцмана.

ΔE _g — разница ширины запрещенной зоны между эмиттерным и основным материалами.

T – температура в K.

В транзисторе с гомопереходом ΔE _g =0 и поэтому уравнение (2) упрощается до:

Следовательно, для получения высокого β _max (>100), эмиттер должен быть сильно легирован по сравнению с базой (N _e > P _b) .

Сильное легирование эмиттера расширяет более слабо легированную область истощения базы, что приводит к изменению ширины базы по сравнению с изменением напряжения база-эмиттер, что, в свою очередь, вызывает модуляцию ширины базы, снижение линейности и, в худшем случае, сквозное прохождение.

В хорошем HBT, таком как AlGaAs в качестве эмиттера и GaAs в качестве базы,

ΔE _г ≈ 0.2eV

At room temperature k _b T= 0.025eV and ΔE _g / k _b T = 8.

Therefore ΔE _g / k _b T ≈ 3000.

In типичный HBT, N _e / P _b ≈ 1/10. То есть база сильно легирована по сравнению с эмиттером, что сводит к минимуму модуляцию ширины базы.

Следовательно, β _max = 5 х 0,1 х 3000 ≈ 1500, что является огромным числом.

Следовательно, I _p = I _n / β _max = I _n /(1500), что пренебрежимо мало по сравнению с I _n и им можно пренебречь. Это большое преимущество в HBT, так как он максимизирует усиление по току.

Возвращаясь к уравнению (1), пренебрегая I _p ,

Хорошо спроектированный HBT имеет β около 100.

Рисунок 6: Типичное поперечное сечение HBT, толщина слоя и легирование [12].

Теперь рассмотрим практическую реализацию HBT на примере [12]. На рисунке 6 (а) показано типичное поперечное сечение HBT в его плоской реализации, а на рисунке 6 (b) — функция слоя, материал, толщина и легирование. В состав входят:

1. Полуизолирующий GaAs, на котором сформированы эпитаксиальные слои.
2. Субколлектор GaAs N+, предназначенный для обеспечения интерфейса с высокой проводимостью между слабо легированным n-коллектором и металлом коллектора.
3. Основание P+GaAs, сильно легированное для уменьшения сопротивления базы, и малой глубины для уменьшения времени прохождения базы.
4. Эмиттер N, в котором эпислой AlGaAs образует гетеропереход с базой P+GaAs (обратите внимание, что эмиттер слабо легирован по сравнению с базой).
5. Колпачок N+, предназначенный для обеспечения высокопроводящего интерфейса с эмиттером N и металлом эмиттера.

Эта структура имеет максимальную частоту колебаний (f _max ) 200 ГГц [13]. Сравните это с усовершенствованными гомопереходными транзисторами с f _max 20 ГГц [5], улучшением в 10 раз. частота среза и f _max , максимальная частота колебаний используются в качестве показателей качества для HBT.

Коэффициент усиления по току с общим эмиттером/частота среза определяется как:

Где:

t _ee = время зарядки эмиттер-база, пропорциональное емкости эмиттер-база. В HBT это, как правило, низкое значение.

t _b = базовое время прохождения, также низкое в HBT из-за тонкого базового слоя.

t _c = время прохождения коллектора через обедненный слой, пропорциональное емкости коллектор-база. Это поддерживается на низком уровне благодаря низкому легированию коллектора.

t _куб.см = время прохождения коллектора.

Максимальная частота колебаний определяется как:

В котором указано, что более низкое сопротивление базы R _B и более низкая емкость коллектора относительно базы C _BC увеличивает максимальную частоту колебаний.

Разработчики Epi оптимизируют все эти параметры для достижения желаемой производительности.

Вкратце:

1. В HBT используется эмиттерный полупроводниковый материал с более широкой запрещенной зоной по сравнению с базой.
2. В HBT используется более сильное легирование базы, чем в транзисторах с гомопереходом, что приводит к уменьшению сопротивления базы.
3. Гетеропереход эмиттер-база обеспечивает высокий энергетический барьер для инжекции дырок и более низкий энергетический барьер для инжекции электронов, что приводит к высокой эффективности инжекции эмиттера.
4. Легирование нижнего эмиттера приводит к незначительному накоплению неосновных носителей, что снижает емкость база-эмиттер и позволяет работать на более высоких частотах.
5. Высокая подвижность электронов и меньшее время прохождения электронов из-за более тонкой основы обеспечивают работу на более высоких частотах.
6. Полуизолирующие подложки помогают снизить паразитные свойства прокладок и обеспечивают удобную интеграцию устройств.

Технология HBT дополняет pHEMT для более высокой частоты операций, но имеет несколько явных преимуществ, как показано ниже:

Преимущества HBT по сравнению с pHEMT [5].

HBT	pHEMT
Скорость электронов определяется тонкими вертикальными слоями, реализуемыми путем эпитаксиального роста, что позволяет работать в диапазоне миллиметровых волн. Достаточно литографии размером 1-3 мкм.	Требуется литография от 0,2 до 0,5 мкм для аналогичной частоты работы, что делает ее более дорогой.
Уменьшенный эффект захвата и меньший шум 1/f являются результатом потока носителей в основном через активные переходы, изолированные от поверхностей и подложки, и сравнимы с кремниевыми транзисторами с гомопереходом.	В полевых транзисторах носители перемещаются между поверхностями и границами раздела активный канал-подложка, испытывая больший эффект захвата.

Шум

Шум представляет собой нежелательные колебания тока, проходящего через полупроводниковые материалы или устройства, или напряжения, возникающие в них [13]. Поскольку нежелательный шум накладывается на полезный сигнал, это ухудшает отношение сигнал/шум.

Фликер-шум обратно пропорционален частоте и обычно называется шумом 1/f, который увеличивается с уменьшением частоты. Поэтому очень важно при малых частотах смещения от несущей частоты. Фликер-шум является функцией поверхностных дефектов. В HBT ток течет перпендикулярно поверхности (см. рис. 7a), поэтому вклад шума 1/f минимален. Сравните это с pHEMT, где ток течет по поверхности (см. рис. 7b), поэтому шум 1/f обычно выше в pHEMT, чем в HBT.

Рисунок 7: Направление тока в HBT и pHEMT.

Измеренные аддитивные фазовые и амплитудные шумы усилителей HBT (ГАЛИ-39+, ЭРА-39+) и усилителя pHEMT (PSA-545+) показаны на рис. 8.

Рис. 8: Аддитивные фазовые и амплитудные шумы усилителей HBT и pHEMT.

На рис. 8 четко показаны превосходные характеристики усилителей HBT, выбранных для требовательных приложений усилителей и генераторов.

Надежность

Mini-Circuits проводит HTOL (испытания на срок службы при высоких температурах) своих моделей усилителей на основе HBT, чтобы продемонстрировать надежность и рассчитать среднее время до отказа (MTTF). Далее следует пример.

Модель GVA-81+ подвергается HTOL в течение 5000 часов при температуре перехода 148℃ на 80 образцах. Расчетное значение MTTF, основанное на этих тестах, показано на рис. 9.

Рис. 9: MTTF в зависимости от температуры перехода для усилителя MMIC на основе GVA-81+ HBT.

Обратите внимание, что при максимальной рабочей температуре и номинальном токе Tj составляет 121℃. Из рисунка 7 при 121℃ среднее время безотказной работы составляет 3,6 x 10 9 .0639 6 часов (или 415 лет) при достоверности 90%. Это чрезвычайно надежно.

Детали Mini-Circuits спроектированы с учетом высокой надежности в соответствии с конструкционным требованием. Конструкторы принимают во внимание тепловые аспекты и ориентируются на Tj ниже 130 ℃ при самой высокой температуре окружающей среды. Это подтверждается с помощью тепловидения, а надежность подтверждается с помощью HTOL (примечание 1). Если эти условия не выполняются, продукт перерабатывается.

Выводы

Технология HBT совершенствовалась на протяжении многих лет, что привело к появлению высоконадежных усилителей СВЧ и миллиметрового диапазона с превосходными характеристиками в широкополосном диапазоне до 20 ГГц. Шумовые характеристики 1/f HBT сравнимы с характеристиками кремниевых транзисторов, поэтому они предпочтительнее в критических усилителях. Mini-Circuits предлагает широкий ассортимент усилителей HBT, доступных в различных пластиковых и керамических корпусах.

Ссылки

1. Нобелевская премия по физике 1956 года — Джон Бардин, Уолтер Х. Браттейн и Уильям Шокли — Nokia Bell Labs (bell-labs.com)
2. Майкл Гордон, «Утерянная история транзистора», стр. 44-49, IEEE Спектр, май 2004 г.
3. Кремер Х., «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов», Proc of IRE, Vol 45, no. 11, PP 1535-1537, ноябрь 1957 г.
4. Герберт Кремер — Нобелевская лекция: квазиэлектрические поля и смещения зон: обучение электронов новым приемам (nobelprize.org)
5. Фазал Али и Адитья Гупта, «HEMT и HBT: устройства, изготовление и схемы», Artech House, 1991.
6. Учебник по радиочастотным полупроводникам (MMIC) — блог Mini-Circuits (minicircuits.com)
7. MMIC Technologies: Псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (pHEMT) — блог мини-схем (minicircuits.com)
8. Джейкоб Милман и Арвин Грабель, «Микроэлектроника» McGraw-Hill International, 1988
9. Уильям Шокли, «Путь к концепции транзистора-переходника» ”, PP1523-1546, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ЭД-31, №11, 19 ноября84
10. https://www. nobelprize.org/uploads/2018/06/bardeen-lecture.pdf
11. Кремер, Х., «Гетероструктурные биполярные транзисторы и интегральные схемы», P13-25, Proc of IEEE, Vol. 70, № 1, январь 1982 г.
12. P.M.Asbeck et. др. «Биполярные транзисторы с гетеропереходом для интегральных схем микроволнового и миллиметрового диапазона» PP1462-1470, IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. МТТ35, № 12, декабрь 1987 г.
13. С.М.Ше и др., «Физика полупроводниковых приборов», Wiley, 2021
14. M.E.Kim et.al, «Устройство на биполярных транзисторах с гетеропереходом GaAs и технология интегральных схем для высокопроизводительных аналоговых и микроволновых приложений», PP1286-1303, IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, Vol. 37. № 9. Сентябрь 1989 г.
15. КРЕМЕР Х., «Гетероструктурные биполярные транзисторы и интегральные схемы», Proc IEEE, Vol 70, No1, PP 13-25
16. https://www.nobelprize.org/uploads/2018 /06/shockley-lecture.pdf
17. Мини-схемы, «Аддитивный фазовый шум в усилителях» https://blog.