Транзисторы на горячих электронах

К настоящему времени разработаны два типа транзисторов, для работы которых существенное значение имеет тот факт, что электроны, пролетающие через канал или базу, являются горячими, т. е. имеют кинетическую энергию значительно выше равновесной.

В первом типе транзисторов на основе горячих электронов фактически используется структура полевого транзистора с высокой подвижностью носителей заряда (НЕМТ-транзистора). В таком транзисторе ток течет в канале, образованном двумерным электронным газом. При увеличении электрического поля в канале температура электронов возрастает и может оказаться настолько высокой, что электроны могут с помощью термоэлектронной эмиссии перейти в слой широкозонного твердого раствора, где их скорость становится малой.

Рис. 6.6. Иллюстрация переноса электронов через канал протекания тока с двумерным электронным газом. а — в слабом электрическом поле электроны локализованы в одномерной потенциальной яме; б — в сильном электрическом поле значительная часть электронов приобретает от поля энергию, достаточную для выхода из потенциальной ямы.

Этот эффект иллюстрирует Рис. 6.6, на котором представлены энергетические диаграммы канала НЕМТ-транзистора в слабом и сильном электрическом поле. Такой механизм протекания тока может привести к образованию отрицательной дифференциальной проводимости канала. Работа полевого транзистора с отрицательным сопротивлением — ПТОС (Negative Resistance Field-Effect Transistor — NERFET) — основана на этом принципе. Структура такого транзистора представлена на рис. 6.7. Возрастание температуры электронов с ростом напряжения сток—исток приводит к увеличению тока I_гор, протекающего от канала (эмиттера) через барьер к коллектору, и, следовательно, к уменьшению тока сток—исток, т. е. к отрицательному дифференциальному сопротивлению канала. Основное преимущество такого прибора — возможность реализации более быстродействующих режимов работы, поскольку управление током эмиттер—коллектор в этом случае связано с разогревом электронов. Изменение температуры электронов ограничено наибольшим из двух характерных времен — временем релаксации энергии (порядка 1 пс в GaAs) и временем изменения электрического поля.

Рис. 6.7. Схематическое изображение структуры ПТОС-транзистора.

Последнее определяется временем пролета электронов через область сильного поля вблизи стока и может быть в несколько раз короче времени их пролета через весь канал, которое ограничивает собственное быстродействие обычных полевых транзисторов. Помимо высокого быстродействия транзисторов на горячих электронах такого типа привлекает возможность построения на их основе новых приборов — с расширенными функциональными возможностями. Например, в четырехэлектродной структуре, которая может быть получена добавлением к ПТОС всего лишь еще одного электрода, подобного стоку или истоку, может быть реализована логическая функция, для выполнения которой на обычных элементах требуется использовать несколько транзисторов.

Транзисторы на горячих электронах второго типа аналогичны биполярным транзисторам, т. е. ток в них протекает не вдоль тонкого слоя (канала), как в полевых транзисторах, а поперек тонкого слоя — через базу. Однако в отличие от биполярных транзисторов они являются униполярными.

Для практики требуются все более быстродействующие приборы, а относительно тяжелая масса дырок является ограничивающим фактором для биполярных транзисторов. Кроме того, электрические напряжения, необходимые для переключения таких приборов, довольно большие — они сравнимы с шириной запрещенной зоны полупроводника. У униполярных транзисторов нет таких проблем — перенос тока в них осуществляется только электронами, электроды разделены потенциальными барьерами, созданными изгибом дна зоны проводимости. Первые униполярные транзисторы — транзисторы с металлической базой — известны с 60-х гг. В таком транзисторе тонкая металлическая база отделена от полупроводниковых эмиттера и коллектора барьерами Шоттки (Рис. 6.8.а). Повышение быстродействия транзистора определяется возможностью значительного уменьшения толщины базы при сохранении достаточно низкого поперечного сопротивления этого слоя. К сожалению, эту возможность не удалось реализовать.

Рис. 6.8. Энергетические диаграммы транзистора с металлической базой (а) и транзистора на горячих электронах с резонансным туннелированием (б). 1 — горячие электроны; 2 — термализация электронов.

Выращивание высококачественных тонких слоев металла на полупроводниковой подложке и тем более слоя полупроводника на металле оказалось практически невыполнимой задачей. В металлическом слое не удается добиться уменьшения рассеяния эмиттированных электронов, чтобы обеспечить достаточную эффективность их переноса через базу в коллектор. Кроме того, два включенных навстречу друг другу барьера Шоттки тоже снижают эту эффективность — из-за квантового отражения электронов барьером коллектор—база. Эти трудности не привели к широкому применению транзисторов с металлической базой, хотя они и выпускались серийно, в том числе и в нашей стране.

В течение 80-х гг. были выполнены многочисленные исследования, направленные на создание подобных транзисторов на основе только полупроводников — без металлической базы. Однако высокое быстродействие с достаточно большим усилением так и не было достигнуто. Высокое легирование базы, необходимое для ее низкого поперечного сопротивления, приводило к сильному рассеянию инжектированных из эмиттера электронов. Поэтому, чтобы достигнуть достаточно высокой эффективности переноса тока через базу, необходимо снижать легирование базы, но это приводит к снижению быстродействия прибора, поскольку высокое поперечное сопротивление базы увеличивает ее RС-характеристику.

Изготовление конкурентоспособного в перспективе транзистора оказалось возможным только после решения проблем, связанных с выбором полупроводникового материала для слоя базы, улучшением технологии нанесения слоев, оптимизацией энергетической структуры транзистора, учетом и использованием квантово-размерных эффектов. Поиски оптимального построения униполярного прибора привели к созданию транзистора на горячих электронах с резонансным туннелированием (Resonant Tunneling Hot Electron Transistor — RHET). На Рис. 6.8.б представлена энергетическая структура такого транзистора.

В качестве материала базы в нем используется твердый раствор n-InGaAs. В чистом арсениде галлия горячие электроны, как показали исследования, теряют свою энергию на величину ~60 мэВ на расстоянии 200 нм. Ясно, что выгодно увеличивать энергию электронов, чтобы большая их часть достигала коллектора. Однако в GaAs не имеет смысла инжектировать электроны с энергией большей, чем 0.3 эВ, так как межзонное рассеяние в долины с тяжелыми электронами снизит эффективность прибора. Для InGaAs экстремумы с низкой подвижностью находятся значительно выше по энергии. В этот материал могут быть инжектированы электроны с энергией большей 0.4 эВ. В этом случае могут быть скомпенсированы потери эффективности за счет термализации электронов — большая часть электронов будет достигать коллектора. В этом приборе в качестве барьера эмиттер—база используется двойная барьерная структура AlGaAs-GaAs или AlGaAs-InGaAs. Электроны инжектируются через такую структуру в базу с помощью резонансного туннелирования — с относительно узким распределением по энергии, что существенно снижает потери, связанные с термализацией электронов. RHET-транзисторы работают пока только лишь при температуре жидкого азота. Однако работы, направленные на улучшение характеристик таких приборов, на повышение их рабочих температур, продолжаются. Это связано с тем обстоятельством, что в транзисторах такого типа есть принципиальная возможность достижения терагерцового диапазона рабочих частот. Горячие электроны двигаются через базу баллистически, т. е. их скорость достигает почти предельных величин. Время пролета через базу может составлять всего лишь несколько десятков фемтосекунд. Быстродействие транзистора ~1 ТГц возможно, даже при учете ограничивающего действия времени пролета электрона через коллектор. Кроме того, баллистическое движение электронов и отсутствие рекомбинации электронов с дырками значительно снижают шумовые характеристики — в этом также большое преимущество таких транзисторов на горячих электронах.

Дата добавления: 2014-01-11