Биполярный транзистор с гетеропереходом ( HBT ) — это тип транзистора с биполярным переходом (BJT), в котором для областей эмиттера и базы используются разные полупроводниковые материалы, создавая гетеропереход . HBT совершенствует BJT тем, что может обрабатывать сигналы очень высоких частот, до нескольких сотен ГГц . Он обычно используется в современных сверхбыстрых схемах, в основном в радиочастотных (РЧ) системах, а также в приложениях, требующих высокой энергоэффективности, таких как усилители мощности ВЧ в сотовых телефонах . Идея использования гетероперехода так же стара, как и обычный биполярный транзистор, и восходит к патенту 1951 года. [1] Подробная теория биполярного транзистора с гетеропереходом была разработана Гербертом Кремером в 1957 году. [2]
Принципиальное различие между BJT и HBT заключается в использовании разных полупроводниковых материалов для перехода эмиттер-база и перехода база-коллектор, создавая гетеропереход. Эффект заключается в ограничении инжекции дырок из базы в область эмиттера, поскольку потенциальный барьер в валентной зоне выше, чем в зоне проводимости. В отличие от технологии BJT, это позволяет использовать в базе высокую плотность легирования, снижая сопротивление базы при сохранении усиления. Эффективность гетероперехода измеряется фактором Кремера. [3] Кремер был удостоен Нобелевской премии в 2000 году за свою работу в этой области в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
Материалы, используемые для подложки, включают кремний, арсенид галлия и фосфид индия , а для эпитаксиальных слоев используются сплавы кремний/кремний-германий , арсенид алюминия-галлия /арсенид галлия и фосфид индия / арсенид индия-галлия . Особенно перспективны широкозонные полупроводники , такие как нитрид галлия и нитрид индия-галлия .
В SiGe- транзисторах с градуированной гетероструктурой количество германия в базе варьируется, что делает запрещенную зону на коллекторе уже, чем на эмиттере. Такое сужение запрещенной зоны приводит к переносу с помощью поля в базе, что ускоряет транспорт через базу и увеличивает частотную характеристику.
Из-за необходимости производства устройств HBT с тонкими базовыми слоями с чрезвычайно высокой степенью легирования в основном используется молекулярно-лучевая эпитаксия . В дополнение к слоям базы, эмиттера и коллектора по обе стороны от коллектора и эмиттера наносятся высоколегированные слои для облегчения омического контакта , которые помещаются на контактные слои после воздействия фотолитографией и травлением. Контактный слой под коллектором, называемый субколлектором, является активной частью транзистора.
В зависимости от материальной системы используются и другие методы. IBM и другие компании используют химическое осаждение из паровой фазы в сверхвысоком вакууме (UHVCVD) для SiGe; другие используемые методы включают MOVPE для систем III-V .
Обычно эпитаксиальные слои имеют согласованную решетку (что ограничивает выбор ширины запрещенной зоны и т. д.). Если они почти совпадают по решетке, устройство является псевдоморфным , а если слои не совпадают (часто разделены тонким буферным слоем), оно является метаморфическим .
Было продемонстрировано , что биполярный транзистор с псевдоморфным гетеропереходом, разработанный в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн , построенный из фосфида индия и арсенида индия-галлия и имеющий композиционно-градуированный коллектор, базу и эмиттер, отключается на частоте 710 ГГц. [4] [5]
Помимо того, что HBT из InP / InGaAs являются рекордсменами по скорости, они идеально подходят для монолитных оптоэлектронных интегральных схем. Фотоприемник PIN-типа образован слоями база-коллектор-подколлектор. Ширина запрещенной зоны InGaAs хорошо подходит для обнаружения сигналов инфракрасного лазера с длиной волны 1550 нм , используемых в оптических системах связи. Смещая HBT для получения активного устройства, получается фототранзистор с высоким внутренним коэффициентом усиления. Среди других приложений HBT — схемы смешанных сигналов, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.