Heteroülekandega bipolaartransistor (HBT) definitsioon ja kasutusvaldkonnad

Heteroülekandega bipolaartransistor (HBT) on bipolaartransistori (BJT) tüüp, mis kasutab emitter- ja baaspiirkondades erinevaid pooljuhtmaterjale, moodustades heteroülekande. HBT suudab töödelda signaale palju kõrgematel sagedustel (kuni mitusada GHz) kui BJT. HBT-d kasutatakse tavaliselt kaasaegsetes ülikiiretes vooluahelates, peamiselt raadiosagedussüsteemides (RF) ja rakendustes, mis nõuavad suurt võimsustõhusust, näiteks mobiiltelefonide RF võimendites. Heteroühenduste kasutamise idee on sama vana kui tavaline BJT, mis pärineb 1951. aasta patendist.

Struktuur ja tööpõhimõte

HBTs kasutatakse kahe erineva pooljuhtmaterjali vahel tekkinud piiripinda (heteroülekannet) selleks, et paremini kontrollida kandjate voogu emitterist baasi ja sealt edasi kollektorisse. Peamine eesmärk on suurendada emitteri sissepritse efektiivsust ja vähendada baasi transitusaega. Tüüpiline HBT koosneb emitterist, baasist ja kollektorist, kus emitter ja baas on tehtud erinevatest materjalidest või neil on erinev räni-geomeetria (näiteks Si/SiGe või GaAs/AlGaAs).

Kasutatavad materjalid

• GaAs/AlGaAs – traditsiooniline Paar, hea kõrgsageduslikkuse ja mürataseme osas;
• InP/InGaAs – kasutatakse eriti kõrgetel sagedustel ja mm‑lainealal (mmWave), et saavutada väga kõrge elektronliikuvus;
• SiGe (Si/SiGe) – heteroühendus, mis võimaldab HBT-de integreerimist CMOS‑protsessidega ja pakub head jõudlust mobiili‑ ja RF‑rakendustes;
• Muud ternäärsed või kvaternaarsed sulamid (nt InGaP) – kasutatakse bändsõlmede ja sobiva ühilduvuse saavutamiseks.

Eelised võrreldes tavalise BJT-ga

• Kõrgem ülemine sagedus (fT) ja fmax – tänu kiiremale baasi läbimisele võivad HBT-d töötada sadade GHz‑i ulatuses laboritingimustes, kommertsseadmed tavalises 10–300 GHz vahemikus;
• Parem sissepritse efektiivsus – heteroühenduse tõttu on emitteri tagasiinjektioon palju väiksem, mis parandab võimendusomadusi;
• Madalam baasiresistents ja lühem transitusaeg – tulemuseks suurem võimsustõhusus ja parem kõrgsageduslik käitumine;
• Võimalus bändsõlme ja dopingu insenerimiseks – võimaldab optimeerida mürataset, võimendust ja lineaar­sust.

Peamised kasutusvaldkonnad

• RF‑võimendid mobiilsidebaasjaamades ja mobiiltelefonide esilõigu (front‑end) võimendites;
• Laine­segistid, oskillaatorid ja muud RF‑komponendid raadiosagedusteks ja mm‑laineks;
• Satelliitkommunikatsioon ja raadioside mikrolainetes;
• Optilise side võimendid ja optoelektroonika (näiteks HBT‑baasil töötavad laserdraiverid);
• Kõrgsageduslikud ja kiirete digitaalsete signaalide rakendused — eriti SiGe HBT‑ide kaudu BiCMOS tehnoloogias.

Tootmistehnoloogiad

HBT‑ide valmistamiseks kasutatakse täppistehnikaid, nagu MBE (molekulkihtide epitaksia) ja MOCVD (metallorganiline keemiline aurdepositsioon), mis võimaldavad kasvatada kihtidest koosnevaid heterostruktuure väga täpsete koostiste ja paksustega. SiGe HBT‑ide puhul kasutatakse tavaliselt täiendavaid BiCMOS‑protsesse, mis võimaldavad integreerida HBT‑id koos MOS‑transistoritega samal räni‑kilel.

Piirangud ja väljakutsed

• Tootmiskulud ja keerukus — heterostruktuuride kasvatamine nõuab täpset epitaksiaalset tehnoloogiat;
• Termiline juhtivus ja usaldusväärsus — mõned materjalipaarid (nt III–V materjalid) võivad tekitada soojuse hajutamisel raskusi võrreldes puhta räni‑tehnoloogiaga;
• Integratsiooni raskused CMOS‑ga — kuigi SiGe pakub head integreeruvust, on III–V HBT‑ide ühendamine laiemate räni‑süsteemidega keerulisem;
• Müranäitajad ja mittelineaarsus — nõuab hoolikat disaini RF‑rakenduste lineaarseks töötamiseks ja madala mürataseme saavutamiseks.

Võrdlus HEMT‑iga

HET‑põhised välisjuhtmelektrontransistorid (HEMT) pakuvad sageli veelgi kõrgemat fT ja madalamat müra mõnedes rakendustes, kuid HBT‑idel on üldjuhul parem võimsustõhusus ja suurem väljundvõimsus ning parem lineaarne käitumine mitmetes RF‑võimendusrakendustes. Valik sõltub konkreetsetest nõuetest: sagedusvahemik, võimsus, müratase ja integratsiooni vajadus.

Tulevik ja arengusuunad

Tänu pidevale materjaliteaduse ja protsessitehnoloogia arengule paranevad HBT‑ide sageduspiirid ning integreeritavus. SiGe‑põhised HBT‑id on eriti populaarseks muutunud 5G ja muude kõrgsageduslike mobiilirakenduste osas tänu heale jõudluse ja integreeruvuse suhtele. Samuti uuritakse uusi materjale ja struktuure, et tõsta töötemperatuuri taluvust, elektrilist jõudlust ja tootlikkust.

Kokkuvõte: Heteroülekandega bipolaartransistorid on olulised komponendid kõrgsageduslikes ja võimsustõhusates RF‑süsteemides. Õige materjali‑ ja protsessivalikuga võimaldavad HBT‑id saavutada suure fT, hea lineaar­suse ning efektiivse võimsuse juhtimise, muutes need asendamatuks mitmetes kaasaegsetes raadiosagedus- ja telekommunikatsioonirakendustes.

Materjalid

Peamine erinevus BJT ja HBT vahel seisneb erinevate pooljuhtmaterjalide kasutamises emitter- ja baaspiirkondades, mis moodustavad heteroühenduse. See piirab aukude süstimist baasist emitteri piirkonda, kuna valentsribas on potentsiaalne barjäär kõrgem kui juhtivusribas. Erinevalt BJT-tehnoloogiast võimaldab see kasutada baasis suurt dopingutihedust. Suur dopingutihedus vähendab baasi takistust, säilitades samas võimenduse. Heteroühenduse tõhusust mõõdetakse Kroemeri teguriga.

Bändid gradueeritud heterojunction npn bipolaartransistori puhul. Piirid on näidatud elektronide liikumiseks emitterist baasi ja aukude süstimiseks tagasi baasist emitterisse; samuti aitab baasi ribalõhe astmestamine kaasa elektronide transpordile baaspiirkonnas; heledad värvid tähistavad tühjenenud piirkondi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on heterojunction bipolaartransistor (HBT)?

K: Kuidas erineb HBT BJT-st?

K: Millised on mõned HBT rakendused?

K: Millal võeti kasutusele idee kasutada heteroühendust BJT-s?

K: Mis on HBT kasutamise eelis RF-süsteemides?

K: Mis on HBT kasutamise eelis mobiiltelefonides?

K: Milliseid piirkondi kasutatakse HBT-s?

Otsing