Гетеротранзисторы

Гетеротранзисторы трех типов рассмотрены в этой работе ...

Введние………………………………………………………………….3
Гетеротранзисторы с резонансным туннелированием……………….5

Структуры с квантовыми точками (КТ) являются перспективными для создания компонентов лазерной техники, транзисторов, диодов, спиновой памяти и т.д. . Экспериментальные данные тестовых структур и теоретические предпосылки создания полевых гетеротранзисторов со встроенными КТ приведены в работах. Показано, что в таких транзисторах наблюдался значительный рост дрейфовой скорости носителей заряда в канале. Однако, представленные теоретические описания таких приборов не содержат качественного и количественного описания распределения характеристик носителей в объеме транзисторной структуры. В данной работе приводятся алгоритм и результаты двумерного моделирования субмикронного гетеротранзистора с КТ на основе соединений типа AIIIBV. При моделировании использовалась система релаксационных уравнен ий, решение которой находится в приближении времени релаксации импульса и энергии и учитывает вклад различных механизмов рассеяния носителей заряда в моделируемой структуре

В случае, показанном внизу, транзистор открывается лишь при определенном (резонансном) значении напряжения между базой и коллектором. А в случае, показанном посредине, открывание транзистора происходит лишь при определенном (резонансном) значении напряжения между эмиттером и коллектором.Во всех трех случаях достигаются фронты исходного сигнала, значительно более крутые, чем при отсутствии двойного туннельного барьера.На рис. 4 показаны примеры структуры гетеротранзисторов со встроенным ДТБР.Рис.4. Структура биполярного гетеротранзистора.Такие гетеротранзисторы сейчас интенсивно исследуются. Схемотехника сверхвысокочастотных схем на гетеротранзисторах с резонансным туннелированием только разрабатывается. Пока еще нет даже устоявшихся способов изображения таких новейших транзисторов в схемах.Рис. 5.Структура ПГТЗШ с ДТБР в области стока.Гетеротранзисторы на "горячих" электронах.Интересными новыми разработками являются также гетеротранзисторы на "горячих" электронах. Идея униполярных (без -переходов) транзисторов на "горячих" электронах (англ. Hot Electron Transistor – НЕТ), которую объясняет рис. 8.11, была высказана еще в 60-х гг. ХХ в. Она состоит в использовании свойств полупроводниковой структуры , где высоколегированная -область выполняет роль базы транзистора. На границе раздела эмиттер/база возникает перепад потенциала. Благодаря этому часть потенциальной энергии электронов проводимости, инжектируемых в базу, превращается в кинетическую энергию, которая намного больше энергии теплового движения электронов.Рис. 6. Энергетическая диаграмма.Распределение инжектированных в базу электронов по энергиям значительно отличается от равновесного распределения Максвелла. И поэтому такие электроны называют "горячими". Если толщина базовой области меньше длины свободного пробега, то такие "горячие" электроны пролетают сквозь базу в коллектор практически без рассеяний, обеспечивая высокий коэффициент передачи потока инжектированных электронов в коллектор.Однако идея транзисторов на горячих электронах стала эффективной лишь на "наноэлектронном" этапе развития при использовании гетероструктур со сверхтонкими слоями.В профессиональных журналах описано много вариантов реализации гетеротранзисторов на "горячих" электронах – со структурами , ,  и другими. Одним из наилучших оказался вариант транзистора на двойной гетероструктуре: "эмиттер из  / база из  толщиной около 10 нм / коллектор из ". Энергетическая диаграмма, на которой изображены профили лишь "дна" зон проводимости такого транзистора, показана на рис. 8.12 слева.Рис.7. Слева – профиль "дна" зоны проводимости гетеротранзистора на "горячих" электронах (ГЭ) со структурой, описанной в тексте. Справа – передаточные характеристики такого транзистора в схеме с общим эмиттером при различных значениях тока базыВалентные зоны для упрощения не показаны. Перепад потенциала зоны проводимости на границе раздела эмиттер/база составляет здесь 1,3 эВ. Приблизительно такую кинетическую энергию получают "горячие" электроны, инжектированные из эмиттера в базу. Пролетая тонкий (толщиной приблизительно 10 нм) слой базы практически без рассеяний и, следовательно, без потери энергии, они легко преодолевают потенциальный барьер высотой 0,8 эВ на границе раздела база/коллектор.На рис. 7 справа показаны типичные передаточные характеристики такого транзистора в схеме с общим эмиттером при температуре 300 К. Вдоль горизонтали здесь отложено напряжение  между коллектором и эмиттером, вдоль вертикали – ток коллектора. Характеристики приведены для разных значений электрического тока базы, начиная от 100 мкА с шагом в 100 мкА.Коэффициент усиления тока превышает 10 при частотах в сотни ГГц при очень малом собственном шуме. А коэффициент усиления мощности может быть еще во много раз больше.Малое время реакции (порядка 0,1 пс) в таких транзисторах обусловлено тем, что они используют основные носители заряда и баллистический характер их пролета сквозь базу, имеют низкое электрическое сопротивление базовой области и малые значения электрической емкости эмиттерного и коллекторного барьеров.Характеристики гетеротранзисторов на "горячих" электронах дополнительно можно улучшить с использованием двойного резонансного туннельного барьера, как в биполярных гетеротранзисторах. В частности, когда ДТБР встраивается в область эмиттера, то резонансное туннелирование обеспечивает инжекцию в базу "горячих" электронов с очень малым "разбросом" энергий, что предопределяет их практически одновременный пролет сквозь базу и соответственно крутые (субпикосекундные) фронты сигналов при переключениях транзистора.Моделирование гетеротранзистора с квантовыми точкамиПолучение КТ базируется в основном на гетеро- эпитаксиальном росте по механизму Странски- Крастанова, когда период решетки выращиваемого СЛОЯ не совпадает с периодом решетки подложки, и КТ начинают формироваться при достижении выращиваемым слоем определённой критической ТОЛЩИНЫ [1].Как показано в работе [2] для гетеротранзисторов С КТ максимальная дрейфовая скорость, соответствующая насыщению тока в сильных полях, значительно возрастает.В традиционной структуре гетеротранзистора носители заряда ускоряются в электрическом поле до энергии оптического фонона, а затем теряют приобретенную В ЭТОМ поле скорость в результате резкого неупругого рассеяния с эмиссией оптического фоно- на. Эти процессы ограничивают проявление эффекта «всплеска» дрейфовой скорости и приводят к ее насыщению.Формирование в квантовой яме GaAs слоёв КТ InAs приводит к квантованию моментов оптических фононов В GaAs между КТ InAs как в продольном, так И В поперечном движению электрона направлении. Каждая линзообразная КТ является отражателем оптических фононов в GaAs [2]. Минимальный момент оптического фонона в направлении х определяется ПО формуле:Тимофеев В. И., Фалеева Е. М. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, д. 37, Киев, 03056, УкраинаРис. 8. Гетероструктурный транзистор с КТ.Моделируемая структура транзистора представлена на рис.1:где /^-толщина слоя GaAs между КТ InAs и гетеропереходом. Если /^<12.5 НМ, ТО электроны в своём движении ПОД действием поля достигают энергии оптического фонона, не встречают фононов, на которых могли бы рассеяться, и их дрейфовая скорость растет с ростом электрического поля, пока не происходит не- упругое рассеяние на квантовом оптическом фононе.Необходимым условием для существенного увеличения максимальной дрейфовой скорости является малый размер длины квантования /^, который МОЖНО оценить по формуле:Это условие можно выполнить при достаточной ПЛОТНОСТИ КТ, образующих сплошной барьер вдоль всего канала структуры и малой толщине слоев GaAs между слоями КТ.Квантование момента оптических фононов выталкивает ИХ ИЗ пространства моментов электронов И тем самым снимает ограничение на рост дрейфовой скорости.Для моделирования нестационарных процессов дрейфа используется двумерная численная физико- топологическая модель, включающая следующую систему уравнений: уравнение сохранения частиц(1)   , уравнение сохранения энергии (2), уравнения сохранения импульса (3), (4), а также уравнение Пуассона (5) И уравнение для плотности тока (6):Результаты моделирования показали, что дрейфовая скорость носителей (рис. 2) при встраивании в канал даже порядка десяти точек возрастает в несколько раз ПО сравнению с традиционными гетерот- ранзисторами [4].Рис. 9. Распределение дрейфовой скорости в структуре транзистора с КТ.Это связано с тем, что при высокой плотности КТ у гетероперехода часть электронов двумерного гетерослоя при разогреве электрическим полем преодолевая потенциальный барьер в подложке могут «захватываться» квантовыми точками.