Тип структур биполярных СВЧ-транзисторов

Оптимальной для маломощного транзистора в СВЧ-диапазоне считается гребенчатая конфигурация (рис.3.12, а, б). Использование чередующихся близко расположенных полос эмиттера и базы сводит к минимуму сопротивление базы, а следовательно и к минимуму эффект высокочастотного вытеснения тока эмиттера на край эмиттера, а также уменьшает влияние поверхности на процессы генерации-рекомбинации. Например, сужение эмиттерных полос от 10 до 1,5 мкм и увеличение их числа от одной до 12 позволяют получить коэффициент шума дБ на частоте 4 ГГц вместо дБ на частоте 1 ГГц. При создании транзисторной структуры с оптимальным сочетанием высокого значения рабочей частоты и низкого значения важную роль играет глубина залегания коллекторного перехода. Уменьшение ее с 0,6 до 0,3 мкм ведет к уменьшению примерно на 30%. Расширение возможностей управления распределением примесей в структуре транзистора было достигнуто в результате применения технологий ионной имплантации. Глубина залегания коллекторного перехода составляет около 0,2 мкм. Метод ионной имплантации позволил получить 6aзy толщиной 0,05 мкм с сопротивлением, меньшим, чем в диффузионном транзисторе. Дальнейшее уменьшение размеров р-n-переходов позволяет снизить емкость перехода, но приводит к возрастанию сопротивления контактов и коэффициентов шума.

В мощных СВЧ-транзисторах используется многоэмиттерная структура в виде отдельных узких прямоугольных диффузионных полосок, электрически связанных общей эммитерной металлизацией, или сетчатая топология эмиттера. Это делается для того, чтобы уменьшить плотность тока, свести до минимума эффект расширения базы и обеспечить максимальное значение полосы пропускания. Произведение коэффициента усиленияна ширину полосы пропускания будет также увеличиваться при уменьшении входной емкости эмиттера , время заряда которой влияет на общее время задержки. То же самое можно сказать и о емкости коллекторного перехода . Требование уменьшения площади эмиттера приводит к очень большой величине отношения периметра эмиттера к его площади. С другой стороны, уменьшение площади коллектора влечетзасобой резкое увеличение периметра эмиттера к площади базы.

Увеличение отношения периметра эмиттера к площади базы при использовании полосковой геометрии дискретных эмиттеров достигается значительным сужением ширины полосок и уменьшением расстояния между ними. Длина полосковых эмиттеров должна быть в общем случае небольшой для того, чтобы падение напряжения вдоль покрывающих их полосок металлизации было мало ( ). В противном случае будет иметь место существенно неоднородная инжекция эмиттерного тока вдоль каждой полоски, которая приводит к тому, что плотность тока в начале эмиттерных полосок (в той части, где все они объединяются общей металлизацией) будет значительно выше, чем в конце полосок. В результате полезный периметр эмиттерной области будет использоваться не полностью. Кроме того, это может явиться дополнительной причиной перераспределения тока в транзисторной структуре и появление термической неустойчивости. 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 емкостей.

Структура типа «оверлей» схематически представлена на рис.3.27, 3.28. Как показано на этих рисунках, эмиттер состоит из множества дискретных элементов, соединенных параллельно тонкой полосой металлизации, перекрывающей все элементы. Выходы базы на поверхность под металлический контакт осуществлены в виде сетки из полученных методом диффузии р-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.

Мэш-структура (рис.3.29) по своей геометрий как бы «обратна» оверлей-конструкции: выходы n-эмиттера представляют собой сетку, a базовые р- контакты – множество дискретных элементов. Каждая из структур имеет свои достоинства и недостатки. Технологическкй 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.

Рисунок 3.27– Транзистор типа оверлей

1 – слой металлизации эмиттера; 2 – слой металлизации базы: 3 – n⁺-эмиттер; 4 – р⁺-сетта; 5 – p-база

Рисунок 3.28– Поперечное сечение транзистора типа оверлей

1 - слой металлизации эмиттера; 2 - n⁺-эмиттер; 3 - поликристаллические балластные эмиттеры; 4 - оксид; 5 - р-база; 6 – коллектор

Рисунок 3.29– Структура транзистора МЭШ-типа

Контрольные вопросы

1. О чем говорит направление стрелки эмиттера (от базы или к базе) в обозначении n-p-n и p-n-p-транзисторов?

2. Какие режимы работы транзистора вы знаете?

3. Является ли биполярный транзистор обратимым прибором? Если нет, то почему?

4. По каким причинам в базе транзистора может возникнуть электрическое поле?

5. Почему транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, может обеспечить усиление по току?

6. Почему один из режимов работы назван «режим насыщения»? Какие области прибора насыщаются? Почему?

7. Из чего состоит ток базы?

8. Какие виды пробоя транзистора вы знаете?

9. Как и почему коэффициент передачи постоянного эмиттера зависит от величины тока эмиттера?

10. Что такое «эффект Эрли»? К чему он приводит?

11. Что такое «эффект Кирка»? Как влияет этот эффект на величины коэффициента передачи тока и частоту отсечки?

12. Почему происходит оттеснение тока эмиттера на край эмиттера?

13. Как борются с эффектом оттеснения тока эмиттера на край эмиттера?

14. Какие процессы, происходящие в транзисторе, влияют на его частотные свойства?