Transistor bipolaire à hétérojonction - Heterojunction bipolar transistor

Le transistor bipolaire à hétérojonction ( HBT ) est un type de transistor à jonction bipolaire (BJT) qui utilise des matériaux semi-conducteurs différents pour les régions d'émetteur et de base, créant une hétérojonction . Le HBT améliore le BJT en ce qu'il peut gérer des signaux de très hautes fréquences, jusqu'à plusieurs centaines de GHz . Il est couramment utilisé dans les circuits ultrarapides modernes, principalement les systèmes à radiofréquence (RF), et dans les applications nécessitant une efficacité énergétique élevée, telles que les amplificateurs de puissance RF dans les téléphones cellulaires. L'idée d'utiliser une hétérojonction est aussi ancienne que le BJT conventionnel, remontant à un brevet de 1951. La théorie détaillée du transistor bipolaire à hétérojonction a été développée par Herbert Kroemer en 1957.

Matériaux

Bandes dans le transistor bipolaire npn à hétérojonction graduée. Les barrières indiquées pour que les électrons se déplacent de l'émetteur à la base et pour que les trous soient injectés vers l'arrière de la base à l'émetteur; De plus, la gradation de la bande interdite dans la base facilite le transport d'électrons dans la région de base; Les couleurs claires indiquent les régions épuisées .

La principale différence entre le BJT et le HBT réside dans l'utilisation de matériaux semi-conducteurs différents pour la jonction émetteur-base et la jonction base-collecteur, créant une hétérojonction. L'effet est de limiter l'injection de trous de la base dans la région d'émetteur, puisque la barrière de potentiel dans la bande de valence est plus élevée que dans la bande de conduction. Contrairement à la technologie BJT, cela permet d'utiliser une densité de dopage élevée dans la base, réduisant la résistance de la base tout en maintenant le gain. L'efficacité de l'hétérojonction est mesurée par le facteur de Kroemer. Kroemer a reçu un prix Nobel en 2000 pour ses travaux dans ce domaine à l'Université de Californie à Santa Barbara.

Les matériaux utilisés pour le substrat comprennent le silicium, l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium , tandis que les alliages silicium/ silicium-germanium , l'arséniure de gallium/ aluminium /arséniure de gallium et le phosphure d' indium / arséniure de gallium d'indium sont utilisés pour les couches épitaxiales. Les semi-conducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de gallium et le nitrure d' indium-gallium sont particulièrement prometteurs.

Dans les transistors à hétérostructure à gradation SiGe , la quantité de germanium dans la base est graduée, ce qui rend la bande interdite plus étroite au niveau du collecteur qu'au niveau de l'émetteur. Cette diminution de la bande interdite conduit à un transport assisté par champ dans la base, qui accélère le transport à travers la base et augmente la réponse en fréquence.

Fabrication

En raison de la nécessité de fabriquer des dispositifs HBT avec des couches de base minces extrêmement fortement dopées, l'épitaxie par faisceau moléculaire est principalement utilisée. En plus des couches de base, d'émetteur et de collecteur, des couches fortement dopées sont déposées de part et d'autre du collecteur et de l'émetteur pour faciliter un contact ohmique , qui sont placées sur les couches de contact après exposition par photolithographie et gravure. La couche de contact sous le collecteur, appelée sous-collecteur, est une partie active du transistor.

D'autres techniques sont utilisées en fonction du système de matériaux. IBM et d'autres utilisent le dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide (UHVCVD) pour le SiGe; les autres techniques utilisées comprennent le MOVPE pour les systèmes III-V .

Normalement, les couches épitaxiales sont adaptées au réseau (ce qui limite le choix de la bande interdite, etc.). S'ils correspondent presque au réseau, le dispositif est pseudomorphique et si les couches ne correspondent pas (souvent séparées par une fine couche tampon), il est métamorphique .

Limites

Il a été démontré qu'un transistor bipolaire à hétérojonction pseudomorphique développé à l' Université de l'Illinois à Urbana-Champaign , construit à partir de phosphure d'indium et d'arséniure d'indium et de gallium et conçu avec un collecteur, une base et un émetteur de composition graduée, s'est coupé à une vitesse de 710 GHz.

En plus d'être des records de vitesse, les HBT en InP / InGaAs sont idéaux pour les circuits intégrés optoélectroniques monolithiques. Un photodétecteur de type PIN est formé par les couches base-collecteur-sous-collecteur. La bande interdite d'InGaAs fonctionne bien pour détecter les signaux laser infrarouges de 1550 nm de longueur d' onde utilisés dans les systèmes de communication optique. En polarisant le HBT pour obtenir un dispositif actif, on obtient un phototransistor à gain interne élevé. Parmi les autres applications HBT figurent les circuits de signaux mixtes tels que les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique.

Voir également

Les références

  1. ^ W. Shockley: `` Élément de circuit utilisant un matériau semi-conducteur '', brevet des États-Unis 2 569 347, 1951.
  2. ^ Herbert Kroemer (1957). « Théorie d'un émetteur Wide-Gap pour les transistors ». Actes de l'IRE . 45 (11): 1535-1537. doi : 10.1109 / JRPROC.1957.278348 . S2CID  51651950 .
  3. ^ L'effet phototransistor : "Le facteur de Kroemer est fonction des paramètres physiques des matériaux constituant l'hétérojonction, et peut être exprimé de la manière suivante [formule donnée]"
  4. ^ Transistors bipolaires pseudomorphiques à hétérojonction à base de 12,5 nm atteignant f T = 710 GHz f T = 710 GHz et f MAX = 340 GHz Hafez et al, Appl. Phys. Lett. 87, 252109, 2005 doi : 10.1063 / 1.2149510
  5. ^ Phosphure d'indium : Fréquence transcendante et limites d'intégration. Semi-conducteur aujourd'hui. Vol 1 Numéro 3. Sept 2006

Liens externes