ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ МИКРОВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1

Биполярные СВЧ-транзисторы 2 Зонная диаграмма кремниевого биполярного транзистора с гетеропереходом Одним из перспективных направлений по улучшению параметров биполярных транзисторов является замена эмиттерного p-n-перехода на гетеропереход Типовая структура ГБТ на основе SiGe Германий имеет ширину запрещенной зоны Eg=0,66 эВ, а кремний – ширину Eg=1,12 эВ Технология SiGe-транзисторов позволяет получить следующие параметры: легирующие концентрации эмиттера – см -3, базы – см -3, коллектора см -3. граничные частоты до 300 ГГц.

Биполярные СВЧ-транзисторы 3 Типовая структура биполярного транзисторы с эмиттерным гетеропереходом на основе арсенида галлия ГБТ на GaAs Типовая структура ГБТ на основе GaAs Ширина запрещенной зоны полупроводникового соединения AlGaAs в эмиттере больше, чем GaAs в базе на величину ΔEg=0,37 эВ. В случае использования Al 0,3 Ga 0,7 As разрыв зоны проводимости составляет ΔEc=0,24 эВ, разрыв валентной зоны ΔEv=0,13 эВ. В последние годы в HBT-транзисторах стали активно использоваться новые полупроводниковые соединения группы А 3 В 5 : в эмиттере – InGaP, AlInAs, InP и т.п., в базе (и коллекторе) – InGaAs. Разработчики при этом стремятся сократить разрыв границы зоны проводимости и одновременно увеличить разрыв границы валентной зоны в переходе эмиттер – база для улучшения частотных (а с ними – и надежностных) и энергетических характеристик (табл). Эмиттер-базаΔE c, эВΔE v, эВΔE g, эВ Al 0,3 Ga 0,7 As/GaAs0,240,130,37 In 0,5 Ga 0,5 P/GaAs0,190,290,48 InP/ In 0,53 Ga 0,47 As0,250,340,59

Биполярные СВЧ-транзисторы 4 Биполярные транзисторы с гетеропереходами на соединениях с фосфидом индия InP Еще более улучшает частотные характеристики приборов применение фосфида индия. Этот материал группы А 3 В 5 обладает сходными с GaAs шириной запрещенной зоны Eg= 1,35 эВ и подвижностью электронов µ n = 4500 см 2 /(В·с). У InP-коллектора, по сравнению с InGaAs, выше напряжение пробоя (не менее 6 В), поскольку запрещенная зона в InP шире, чем в InGaAs (1,35 эВ против 0,75 эВ). Разнообразие различных структур на основе InP весьма велико. Сам термин InP-транзистор означает, что структура выращена на полуизолирующей InP- подложке и коллектор также создан из легированного InP (рис). Разнообразны и комбинации материалов слоев транзистора, наиболее часто используются сочетания типа InAlAs/InGaAs/InP и InP/InGaAs/InP, однако возможны и структуры типа AlInP/InP. Более того, InP-транзисторами могут называть и структуры типа InAlAs/InGaAs, выращенные на InP-подложке. InP-транзисторы обладают поистине выдающимися частотными характеристиками. Так, в HRL Microelectronics Laboratory в 2003 году получены InAlAs/InGaAs/InP SHBT и DHBT (рис.) с граничными частотами 250 и 230 ГГц, соответственно (Uкэ = 1 В, Iк= 10 мА). При этом напряжения пробоя составили 3,1 и 4,5 В. Особенностью приборов явилось формирование дополнительного высоколегированного суп коллекторного n+-InP слоя. В декабре 2004 года исследователи этой компании сообщили о DHBT- структуре с f T = 370 ГГц при токе коллектора 6 мА и пробивном напряжении 1,6 В. Пример InP DHBT-транзистора (AlInAs / InGaAs / InP) с субколлекторным слоем. Коллектор – четырехслойная InP-структура Большие перспективы исследователи связывают со структурами типа InP/GaAsSb /InP.

Полевые СВЧ-транзисторы с барьером Шоттки 5 Конструкция мощного СВЧ GaAs полевого транзистора с затвором в виде барьера Шоттки Полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник получили наибольшее распространение при производстве интегральных схем на основе арсенида галлия. Арсенид-галлиевые микросхемы имеют высокое быстродействие и могут работать в области сверхвысоких частот. GaAs-полевой транзистор с барьером Шоттки

Полевые СВЧ-транзисторы с барьером Шоттки 6 Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе различных полупроводниковых материалов GaN-полевой транзистор с гетеропереходом Одно из наиболее активно осваиваемых сегодня направлений СВЧ-электроники – мощные приборы на основе полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной. Широкая запрещенная зона – это большие значения пробивного и рабочего напряжения, высокая рабочая температура перехода. В гетероструктурах она обеспечивает значительный разрыв границ зоны проводимости. Однако сегодня активно развиваются всего два широко-зонных полупроводниковых материала – карбид кремния и нитрид галлия. Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе различных полупроводниковых материалов В полевых транзисторах с гетеропереходом основным элементом является область двумерного электронного газа (2D), локализованная в ОПЗ гетероперехода между барьерным слоем Al x Ga 1-x N и нелегированным слоем GaN, являющимся канальным слоем полевого транзистора. Подвижность электронов в 2D-слое составляет 2000 см 2 /Вс.

Монолитные интегральные схемы с СВЧ-полевыми транзисторами 7 В области диапазонов частот от единиц до сотен гигагерц и мощностей от милливатт до сотен ватт используются разнообразные полупроводниковые технологии и материалы. Основные типы транзисторов в этой области – это традиционные полевые и биполярные приборы, полевые транзисторы с затвором Шоттки (MESFET), полевые транзисторы с гетеропереходом (HFET, они же HEMT), а также биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBT). С точки зрения полупроводниковых материалов, на рынке СВЧ-электроники безраздельно доминируют GaAs-приборы. Причем когда сегодня говорят о GaAs, имеют в виду прежде всего гетероструктуры – AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs и т.д – и созданные на их базе транзисторы, биполярные (HBT) и полевые с барьером Шоттки (HEMT). Не сошел с арены и "старый добрый" кремний. В нише сотовых телефонов приборы на основе этого материала занимают порядка 20% рынка. Обладая приемлемыми характеристиками в области диапазонов частот до 3 ГГц (с тенденцией расширения до 10 ГГц), кремниевые транзисторы (биполярные, МОП, Би-КМОП) развиваются весьма интенсивно. Порядка 10 лет назад начали интенсивно прогрессировать и сегодня весьма распространены SiGe- технологии, прежде всего – SiGe HBT и Би-КМОП-транзисторов, которые можно рассматривать как развитие Si-технологий. На фоне этих доминирующих сегодня технологий развиваются направления, которые, возможно, будут играть важнейшую роль в СВЧ-электронике завтра. Прежде всего, речь идет о фосфиде индия и твердых растворах на его основе (AlInP). В последние годы наблюдается необычайно бурное развитие широкозонных материалов – группы III-нитридов, прежде всего – GaN, а также приборов на основе карбида кремния SiC. Появляется все больше сообщений о транзисторах на основе экзотических пока материалов InAs, AlSb и InSb, сулящих сверхбыстродействие при минимальном энергопотреблении.

Монолитные интегральные схемы с СВЧ-полевыми транзисторами 8 В области мощных кремниевых СВЧ-транзисторов лидируют приборы, произведенные по технологии LDMOS (МОП с боковой диффузией) (рис.). Принципиальное ее отличие от традиционной МОП-технологии – несимметричная структура транзистора. Кремниевые LDMOS-транзисторы Базовая структура мощного СВЧ МДП полевого транзистора, созданного по технологии МОП с боковой диффузией Еще в 2000 году компания Motorola представила LDMOS-транзистор с длиной затвора 0,6 мкм, толщиной подзатворного окисла 40 нм и пробивным напряжением исток-подложка 65 В. При суммарной ширине затвора 480 мм транзистор работал с выходной мощностью 220 Вт на частоте 2,12 ГГц при рабочем напряжении 28 В, демонстрируя КПД 46%. Типичный современный LDMOS-транзистор – прибор SLD-2083CZ компании Sirenza Microdevices. Он предназначен для работы в диапазоне 300–2200 МГц с усилением 18 дБ и выходной мощностью 10 Вт.

Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале (HEMT транзисторы) 9 Ширина запрещенной зоны и период кристаллической решетки для некоторых твердых растворов типа A III B V В англоязычной терминологии для обозначения GaAs полевых транзисторов с гетеропереходом и управляющим затвором в виде барьера Шоттки применяется аббревиатура HEMT (High Electron Mobility Transistors). Первая модификация полевых транзисторов с высокой подвижностью 2D электронов в канале была реализована на гетеропереходе p-GaAs-n-AlGaAs с постоянными кристаллических решеток =5,68Å и =5,65Å.

Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале (HEMT транзисторы) 10 Типичная структура GaAs ГПТШ и его зонная диаграмма Материал для канального слоя выбирают изначально с высокой подвижностью электронов. Так как канальный слой HEMT-транзисторов не легирован, в нем рассеяние электронного газа на примесных центрах и дислокациях решетки минимальны, соответственно подвижность электронов остается такой же высокой, как в объемном материале.

Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале (HEMT транзисторы) 11 Структура псевдоморфного p-HEMT транзистора AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT-транзисторы, у которых гетеропереход образован материалами с существенно различными постоянными решетки (AlGaAs/InGaAs, InGaAs/InAlAs, InGaP/InGaAs) получили название псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов в канале (p-HEMT). P-HEMT-транзисторы за счет увеличения разрыва между границами зон проводимости и большими значениями подвижности электронов в канальном слое обладают по сравнению с HEMT-транзисторами как более высоким пробивным напряжением (свыше 12 В), так и более высокими рабочими частотами. Одним из лидеров в развитии p-HEMT- транзисторов выступает компания TriQuint Semiconductor. Максимальный ток канала транзистора составляет 680 мА/мм при напряжении пробоя 13В, граничной частоте 52ГГц и коэффициенте полезного действия 40%.

Области применения твердотельных СВЧ-приборов 12 Области применения твердотельных СВЧ- компонентов мощностью свыше 20 Вт В диапазонах частот до 2 ГГц основной потребитель СВЧ-компонентов (пассивных, транзисторов и СВЧ МИС) системы сотовой связи. Львиная доля всех приборов гражданского назначения предназначена для диапазонов 0,8–1,9 (сотовая связь), 2,4 и 5–6 ГГц (беспроводные локальные и персональные сети передачи информации). В ближайшее время следует ожидать всплеска интереса к диапазонам от 3 до 11 ГГц, что связано с планами создания региональных и локальных беспроводных сетей передачи информации стандарта IEEE (WiMAX). Среди основных коммерческих областей применения СВЧ-приборов миллиметрового диапазона прежде всего отметим так называемые системы сотового телевидения – LMDS/ MVDS (Local Multipoint Distribution Service /Multipoint Video Distribution Systems) – американская / европейская системы, работающие в диапазонах 27–31 и 40,5–42,5 ГГц, соответственно. Не менее значимая область массового коммерческого применения СВЧ-приборов – системы спутниковой связи, прежде всего – оборудование наземных станций систем VSAT (спутниковых систем связи с малой апертурой – т.е. с относительно узконаправленным лучом). Многое сулит такой относительно новый сегмент СВЧ-рынка, как цифровое радиовещание (DAB). Подобные системы развертываются в диапазонах 6–42 ГГц, причем диапазон свыше 12 ГГц занимают 80% всех DAB- устройств. Еще одна массовая область применения СВЧ-компонентов – это автомобильные радары различного назначения (радары дальнего действия для систем автоматического контроля курса, системы предупреждения/предотвращения столкновений, а также радары ближнего действия для бокового и заднего обзора). Рабочие диапазоны подобных систем различны – 19, 24, 60 и 77 ГГц.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ