Разновидности биполярных транзисторов

Из всех классификационных факторов на практике наиболее часто используют классификацию по максимально допустимой мощности рассеивания и граничной частоте. В зависимости от максимально допустимой мощности рассеивания биполярные транзисторы могут быть: малой мощности (Р_макс < 0,3 Вт), средней мощности (0,3 < Р_макс < 1,5 Вт) и большой мощности (Р_макс > 1,5 Вт). Транзисторы, имеющие граничную частоту /нр < 3 МГц, относятся к низкочастотным, при 3 МГц < /_гр <

< 30 МГц — к транзисторам средней частоты, при 30 МГц <

< /_гр < 300 МГц — к высокочастотным, при /_рр > 300 МГц — к сверхвысокочастотным (СВЧ-транзисторам).

Низкочастотные и высокочастотные транзисторы имеют чаще всего эпитаксиально-планарную или планарную кремниевую структуру л—р—я-типа. Они отличаются тем, что высокочастотные транзисторы имеют меньшие площади переходов, меньшие толщины базы и коллектора и времена жизни неосновных носителей. В силу сказанного, для низкочастотных (НЧ) транзисторов характерны емкости переходов 10. Л00 пФ, а для высокочастотных (ВЧ) емкость не превышает 10 пФ, для НЧ транзисторов ?_рпс > 1 мкс, а для ВЧ *_рас <0,1 мкс.

Наибольшие структурные и конструктивные особенности присущи СВЧ-транзисторам. Для увеличения граничной частоты необходимо уменьшать время пролета носителей от эмиттера до коллектора и емкости транзистора. Чтобы снизить это время, СВЧ-транзисторы изготавливаются на основе п—р—я-структуры, поскольку подвижность электронов в кремнии в три раза больше, чем подвижность дырок, и, кроме того, базу делают по возможности тонкой.

Современный уровень технологии позволяет изготавливать базу толщиной менее 0,1 мкм. Однако при этом сопротивление базы с уменьшением толщины увеличивается, что приводит к снижению величины рабочих напряжений и, следовательно, мощности. Для уменьшения влияния указанных негативных явлений увеличивают концентрацию примесных атомов в базе, но при этом возрастают емкости переходов, которые можно снизить за счет минимизации размеров областей и других элементов транзистора, включая выводы. В результате барьерные емкости переходов транзистора очень малы, поэтому на граничную частоту влияют паразитные емкости и индуктивности выводов, для уменьшения которых корпуса транзисторов изготавливают с плоскими выводами и, кроме того, часто используют бескорпусные транзисторы. Структура СВЧ-транзистора обычно содержит несколько базовых и эмиттерных областей и соответствующих слоев.

Целым рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми СВЧ-транзисторами обладают транзисторы на основе ваАв с гетеропереходами, транзисторы на горячих электронах, особенно транзисторы с металлической базой и транзисторы с проницаемой базой.

Коротко рассмотрим особенности перечисленных приборов. Транзистор с гетеропереходом имеет широкозонный эмиттер л-типа из А1_д.Са₁ _^Ав, базу р-типа из ОаАя и коллектор л-типа из ОаАэ. Характерной особенностью гетеропереходов, которые образованы полупроводниками с различной шириной запрещен ной зоны, является наличие потенциальных скачков (барьеров) как в зоне проводимости, так и в валентной зоне (см. п. 2.7). В результате транзисторы с гетеропереходами имеют следующие преимущества:

• 1) высокую эффективность эмиттера из-за крайне малой инжекции дырок из базы в эмиттер, чему препятствует высокий потенциальный барьер в валентной зоне;
• 2) малое сопротивление базы из-за ее сильного легирования без снижения эффективности эмиттера, что также связано с наличием высоких потенциальных барьеров в области эмиттерного перехода;
• 3) лучшую переходную характеристику по сравнению с обычным транзистором из-за высокого коэффициента усиления по току и низкого сопротивления базы;
• 4) возможность работы при повышенных температурах вплоть до Т° ~ 350 °C. В настоящее время разработаны транзисторы с параметром (1 ~ 350, с граничной частотой, превышающей 10 ГГц.

Одними из перспективных в СВЧ-диапазоне являются транзисторы на горячих электронах. Горячими называют электроны, энергия которых превышает энергию Ферми на несколько /гТ (/г = 1,38* 10 ^2;1Дж/К— постоянная Больцмана, Т— температура решетки в градусах К). Горячие, иначе, быстрые электроны, формируются за счет создания больших потенциалов, ускоряющих электроны на границе между соседними областями транзистора. Было предложено и исследовано достаточно много трехэлектродных структур, подобных биполярным транзисторам, с переносом горячих электронов от эмиттера к коллектору. Основное отличие этих приборов от чисто полупроводниковых классических транзисторов заключается в способе инжекции электронов в базу. Наилучшими СВЧ-характеристиками обладает транзистор с металлической базой и структурой типа Б1— Аи—Ое, т. е. структура полупроводник—металл—полупроводник, при этом толщина золотой пленки между двумя полупроводниками составляет несколько десятков ангстрем (сотые доли микрона и меньше).

Применение таких современных перспективных технологий, как молекулярно-лучевая эпитаксия, выращивание монокристаллических металлических пленок на полупроводниках, ультрафиолетовая и рентгеновская литография, работа при низких температурах, позволяет добиться хороших СВЧ-характеристик и высоких коэффициентов усиления по току в транзисторах с металлической базой.

Дальнейшим развитием подобного направления является разработка транзисторов с проницаемой базой, в которых металлическая пленка заменена металлической вольфрамовой сеткой с периодом порядка 0,3 мкм. Такой транзистор имеет четырехслойную структуру, включающую подложку из ОаА. ч /г*-типа, слой эмиттера из ОаАя /гтипа, фигурную вольфрамовую сетку, толщиной 0,02 мкм с шириной полоски 0,16 мкм и слой коллектора п — ОаАв. Вольфрамовая сетка образует с п — СаАв барьер Шоттки высотой 0,8 В. При подаче на сетку отрицательного потенциала электроны из эмиттера при их движении к коллектору должны пройти в окрестности металлической сетки через область с отрицательным потенциалом. Посередине между металлическими полосками барьер наиболее низкий, а около границы металл — полупроводник барьер будет наиболее высоким. Этот барьер будет препятствовать проходу электронов через сетку. В результате только небольшая доля электронов преодолевает поле сетки, и в цепи коллектора протекает ток с малой плотностью (единицы А/см²). Если на базу подать положительное смещение, барьер снизится, и плотность коллекторного тока может достигать значений ~ 10³ А/см². При больших положительных смещениях на базе (сетке) будет накапливаться отрицательный заряд электронов, что приведет к ограничению тока. В этих транзисторах можно получить высокие плотности управляемых токов и, как следствие, большую крутизну и высокую граничную частоту, до нескольких десятков ГГц, а в перспективе до сотни ГГц, при относительно больших значениях коэффициентов усиления (15…20 дБ).

Мощные транзисторы. При разработке мощных транзисторов приходится решать дополнительно ряд специфических проблем, которые вызваны большими напряжениями и токами коллектора. Поэтому конструкция мощного транзистора должна обеспечивать эффективный отвод рассеиваемой в нем тепловой энергии. Перегрев активных частей транзистора большой мощности при значительных размерах применяемых полупроводниковых кристаллов вызывает необходимость учета механических напряжений из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения полупроводника и других элементов конструкции. Помимо всего, мощные транзисторы должны быть достаточно быстродействующими.

Для обеспечения большого рабочего тока в мощных транзисторах необходимо изготавливать эмиттер как можно больших размеров, причем сложной конфигурации. Поэтому обычно применяют многоэмиттерные транзисторы, содержащие большое число узких эмиттерных полосок, между которыми располагаются выводы базы. Как эмиттеры, так и отдельные базовые выводы объединяются общими выводами. Число отдельных эмиттерных полосок может быть до нескольких десятков. Площадь каждой эмиттерной полоски обычно значительно больше, чем эмиттера маломощного транзистора. Предельная ширина эмиттерной полоски ограничена эффектами вытеснения тока эмиттера на края перехода, поэтому существуют оптимальные размеры ширины полоски, которые лежат в пределах 10…20 мкм. Длина полоски ограничивается падением напряжения на ней и составляет 100…200 мкм. Последовательное включение с каждым эмиттером стабилизирующих резисторов позволяет выравнивать токи отдельных эмиттеров.

Большая часть мощных транзисторов рассчитана на работу при относительно низких напряжениях в 20…30 В, поскольку в этом случае облегчается тепловой режим. Хороший теплоотвод в мощных транзисторах достигается за счет установки полупроводникового кристалла на массивном металлическом основании корпуса часто совместно со специальным радиатором. Для уменьшения барьерной емкости и теплового сопротивления коллектора используют многоструктурные транзисторы, собранные на одном кристалле в виде матрицы отдельно параллельно соединенных транзисторов. За счет увеличения расстояния между отдельными транзисторами обеспечивается нужное тепловое сопротивление без увеличения емкости коллекторного перехода.