Особенности структур СВЧ биполярных транзисторов и области применения

Для уменьшения инерционности транзистора необходимо минимизировать паразитные сопротивления r^’_B и r_TC . С этой целью используют узкие полоски эмиттера (0,5…3,0) мкм и осуществляют подлегирование основной примесью пассивной базы, которое одновременно ограничивает боковую инжекцию из-за встроенного поля, обусловленного поперечным градиентом примеси. На высоких частотах (f >1ГГц) ток инжекции протекает, главным образом, по периферии эмиттера. Для того чтобы увеличить максимально допустимое значение тока СВЧ–транзистора, его эмиттер изготавливают в виде очень узких полос с большим периметром. Это делается для того, чтобы уменьшить плотность тока, свести до минимума эффект расширения базы и обеспечить максимальное значение f_{T .} Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания f_T будет также увеличиваться при уменьшении зарядной ёмкости эмиттера С_ЗЭ, время заряда которой влияет на общее время задержки t_a . То же самое можно сказать о зарядной емкости коллекторного перехода С_С. Требование уменьшения площади эмиттера приводит к очень большой величине отношения периметра эмиттера к его площади. С другой стороны, уменьшение площади коллектора влечет за собой резкое увеличение отношения периметра эмиттера к площади базы. Среди всех конструкций, удовлетворяющих этим требованиям, выделяются конструкции типа оверлей – с базой в виде сетки и типа мэш – с эмиттером-сеткой. Эти конструкции дают возможность введения балластных сопротивлений в эмиттерные цепи, обеспечивают хорошее распределение тока на высоких частотах и уменьшение ёмкостей [3].

Структура типа оверлей схематически представлена на рисунках 7.75 и 7.76. Как показано на этих рисунках, эмиттер состоит из множества дискретных элементов, соединённых параллельно тонкой полосой металлизации, перекрывающей все элементы. Выходы базы на поверхность под металлический контакт осуществлены в виде сетки из полученных методом диффузии p⁺-элементов.

Между n⁺-эмиттерами и слоем эмиттерной металлизации размещаются балластные сопротивления, представляющие собой поликремниевый проводящий слой. Каждый эмиттер имеет отдельное балластное сопротивление, чтобы обеспечить однородное распределение тока на радиочастотах и исключить тем самым опасность возникновения «горячих» точек.

Рисунок 7.78 - Соотношение между напряжением пробоя и максимальной частотой единичного усиления; SHBT – транзистор с одним гетеропереходом; DHBT – транзистор с двумя гетеропереходами; HEMT – полевой транзистор Шоттки с высокой подвижностью электронов

Мэш-структура (рисунок 7.77) по своей геометрии как бы «обратна» оверлей – конструкции: выходы n-эмиттера представляют собой сетку, а базовые p⁺-контакты – множество дискретных элементов. Каждая из структур имеет свои достоинства и недостатки. Технологический цикл изготовления мэш-структуры, например, короче, чем цикл оверлей-структуры. Ток управления для обоих типов структур равен примерно 0,5 А×см^–1. В настоящее время кремниевые СВЧ-транзисторы используются, главным образом, на частотах ниже 4 ГГц; на частотах выше 4 ГГц применяются транзисторы на основе GaAs и другие гетероструктурные транзисторы на основе А₃В₅ и Si-SiGe-Si.

Вторая особенность структур СВЧ-транзисторов заключается в использовании более тонких слоёв эмиттера и базы (менее 0,1 мкм) для уменьшения диффузионных ёмкостей или времён пролёта. Толщина слоя коллектора определяется требуемым напряжением пробоя, но и она не превышает 0,5 мкм для частотного диапазона f_T >10 ГГц (для кремниевых транзисторов). К сожалению, уменьшение толщины коллектора приводит к существенному снижению напряжения пробоя (рисунок 7.78). Следовательно, перспектива применения транзисторов в СВЧ диапазоне определяется фундаментальными свойствами материала (при установившейся «зрелой» технологии): критической напряженностью поля ударной ионизации и максимальной скоростью дрейфа. Из рисунка 7.78 следует, что на современном уровне развития технология InP даёт более высокое качество по сравнению с Si-GeSi-Si и GaAs. К перспективным материалам для СВЧ-транзисторов относятся также GaN и SiC.

Одним из способов повышения пробивного напряжения кремниевого СВЧ-транзистора (от 1В до 2В) является включение между базой и коллектором тонкого n⁺-слоя (30 нм) с концентрацией на порядок выше, чем в слое коллектора (8×10¹⁷см^–3). Такая структура обеспечивает увеличение критической плотности тока Кирка и повышение напряженности поля ударной ионизации (5.117).

Основной отличительной особенностью СВЧ-транзисторов является использование структуры с широкозонным эмиттерным переходом. Как отмечалось ранее, гетеропереход эмиттера осуществляет практически одностороннюю инжекцию носителей заряда, что позволяет легировать базу сильнее, чем эмиттер. Это обстоятельство даёт весьма существенные преимущества гетероструктурного транзистора по сравнению с гомогенным в СВЧ диапазоне. Высокое легирование базовой области обеспечивает малое сопротивление r^’_B (инерционность коллекторной цепи) и одновременно подавляет эффект оттеснения эмиттерного тока и на порядки увеличивает критическую плотность тока j_g падения эффективности и плотность тока Кирка. Практическое отсутствие обратной инжекции снимает ограничения на толщину эмиттера и уменьшает паразитную емкость эмиттера. В качестве примера в таблице 7.1 приведены значения параметров структуры с двойным гетеропереходом эмиттера: GaInP-AlGaInP-GaAs.

Для реализации подобных структур используются методы электронно-лучевой эпитаксии и эпитаксии из паровой фазы металлоорганических соединений. Легирование осуществляется в процессе выращивания эпитаксиальных слоёв, а также методом ионной имплантации.

В результате промышленного освоения субмикронной технологии создания гетеротранзисторов электроника СВЧ диапазона обеспечила создание и функционирование микроволновых информационных и телекоммуникационных систем, включая системы спутниковой связи, микроволновых телерадиоинформационных сетей и систем навигации.

В диапазоне до 20 ГГц биполярные СВЧ транзисторы имеют преимущество перед СВЧ полевыми транзисторами в применении в устройствах мобильной связи и других СВЧ устройствах в связи со значительно лучшей идентичностью характеристик от прибора к прибору. Это обстоятельство существенно снижает затраты на производство изделий СВЧ крупно серийного производства.