Дрейфовые и гетероструктурные

Биполярные транзисторы.

В предыдущих разделах рассматривались процессы в биполярном транзисторе с равномерным распределением примеси в базе. В таком транзисторе движение электронов от эмиттерного перехода к коллекторному происходит исключительно за счет диффузии. Однако, диффузионное движение имеет существенную инерционность, что ограничивает быстродействие транзистора. Для повышения быстродействия область базы большинства современных транзисторов легируется неравномерно: вблизи эмиттерного перехода концентрация акцепторной примеси выбирается максимальной и далее уменьшается от эмиттерного перехода к коллекторному. Как показано выше (см. п. 1.7), в этом случае в базе возникает внутреннее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от коллектора к эмиттеру. Это поле ускоряет электроны, движущиеся от эмиттера к коллектору и, соответственно, уменьшает время пролета электронов через базу. В результате возрастает коэффициент передачи тока базы β и граничная частота. Такие транзисторы получили название дрейфовых, поскольку под действием поля электроны приобретают дополнительную дрейфовую составляющую скорости.

Вместе с тем, существуют ограничения, которые не позволяют увеличить коэффициент β более чем на порядок по сравнению с обычным бездрейфовым транзистором (при неизменной ширине базы). Главное ограничение связано с тем, что увеличение концентрации акцепторов в базе вблизи эмиттерного перехода увеличивает нежелательный встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер (поток 2 на рис. 3.3). Тем не менее, дрейфовый транзистор имеет больше преимуществ, чем недостатков по сравнению с бездрейфовым.

Рис. 3.20. Простейшая структура гетероструктурного

биполярного транзистора.

Недостаток дрейфового транзистора, связанный с необходимостью сильного легирования базы вблизи эмиттерного перехода, можно устранить, используя в качестве эмиттерного перехода гетеропереход. Простейшая модель структуры гетероструктурного биполярного транзистора (ГБТ) приведена на рис. 3.20.

Как отмечалось выше (см. п. 2.1) гетеропереход представляет собой контакт двух областей, выполненных из различных материалов. В данном транзисторе эмиттерная область, выполненная из AlGаAs, имеет бо льшую ширину запрещенной зоны, чем базовая область, выполненная из GаAs. Одним из преимуществ гетероперехода является односторонняя инжекция, связанная с тем, что потенциальный барьер для электронов, движущихся через переход из широкозонной области, оказывается значительно ниже, чем для движущихся навстречу им дырок из узкозонной области. В результате ток, протекающий через эмиттерный переход, является практически чисто электронным при любых концентрациях примеси в эмиттере и базе. Это позволяет очень сильно (вплоть до вырождения) легировать область базы и тем самым уменьшить ее объемное сопротивление или уменьшить ширину базы W_Б. В результате удается существенно повысить усилительные свойства (коэффициент тока базы β ˃ 1000) и быстродействие (граничная частота до 200 ГГц) транзистора.

В перспективных разработках транзисторов используется туннельная инжекция электронов в базу, улучшающая квазибаллистический пролет базы и целый ряд других особенностей гетероструктур.