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3. Transistoren
Schaltungen und Bausteine der HMTProf. Dr. M. Hein Seite 1
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Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
3. Transistoren: Typen, Beschreibung und Funktionen
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Zwei anschließende pn-Übergänge mit gemeinsamer Mittelschicht
Bipolar-Transistoren
• Beschaltung für Normalbetrieb (Basisschaltung) BE-Diode schwach in Durchlassrichtung, BC-Diode stark in Sperrrichtung
• Dotierung für Normalbetrieb B viel schwächer dotiert als E und C• Diffusion von Elektronen („feldfrei“) E → B → C• Hohe Stromausbeute → kleine Ausdehnung db• Basisbahnwiderstand Rb ~ 1/Dotierung
• Hohe Frequenzen Kleine Kapazitäten => kleine E- und C-Flächen• Geometrische Anordnung und Abmessungen• Technologie (Diffusion, Epitaxie, Ionenimplantation)
npn gegenüber pnp bevorzugt (Beweglichkeit der Majoritätsträger)
E
B
CIE IC
IB
UCE
UEB UCB
E n np
B
C
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Dotierungsprofil eines Hochfrequenz-Bipolartransistors
• E hochdotiert und dünn• Übergang zu B nahezu abrupt• B nahe E hoch dotiert, Gefälle Richtung C
Messbare Dreitor-Eigenschaften des äuße-ren Transistors; π-Schaltung mit Minimal-zahl von Elementen
10-1
100
101
102
103
100 101 102 103 104 105 106
Stro
mve
rstä
rkun
g α
, β
Frequenz f [Hz]
α0
β0
fβ
fα
B
rCE
C
E
B’
gmUB’E
rB’C
cB’C
cBC
rBB’
rB’EcB’E
UB’E
Aufgabe 7
β
βαβ = ⋅ = =
− α + ⋅0
B'E m(f )(f ) r g
1 (f ) 1 j f / f
β β α= ⋅ β − ≈ − α =2T 0 0f f 1 f /(1 ) f
β α= ⋅ − α0f f (1 )
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Anforderungen an kurze Laufzeiten1. Kleine E-Fläche (kurze Ladezeiten, aber hohe Strombelastung)2. Kleine B-Dicke (kurze Laufzeiten, ≈ 100 nm)3. Optimale C-Raumladungszone (kurze Laufzeiten ↔ kleine Kapazität)4. Kleine B-Fläche (geringe Verluste, Rückwirkung, Ausgangsadmittanz)
Mikrowellen-Bipolartransistoren
Gleichzeitig möglichst viele Kriterien erfüllen => hohe Ansprüche an BE-Entwurf und Technologien (Mikrostrukturen, hohe Stromdichten)
S-ParameterAus ESB von Giacoletto oder numerische Modelle
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Anforderungen: Hohe Steilheit und kurze Laufzeiten
Mikrowellen-FET
Gleichzeitige Erfüllung möglichst vieler Kriterien: Hohe Ansprüche an BE-Entwurf und Technologien
RauschzahlFrequenzabhängig durch S(f) ~ 1/f
Hauptsächlich thermisches Rauschen,das bei tieferen Temperaturen abnimmt
1. Starke Dotierung im Kanal (hohe Leitfähigkeit)2. Kleine G-Länge (kurze Laufzeiten)3. Optimierte Kanaldicke (Kanalleitwert steigt mit d ↔ Steilheit begrenzt
bei großen d; Kompromiss L/d ~ 5)4. Kleine parasitäre Elemente
Aufgabe 8
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• Etwa 10 nm dicker Kanal, zweidimensionales Elektronengas (2DEG)• Gate-Spannung beeinflusst Lage des Ferminiveaus• Höhere Beweglichkeit und geringere Rauschzahl als bei homo-FET
„High electron mobility“ -Transistoren (HEMT)
n+ n+
Kanal (2DEG)
Semiisolierendes GaAs
S G D
n-GaxAl1-xAsGaxAl1-xAs (undotiert)
GaAs (undotiert)
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„High electron mobility“ -Transistoren (HEMT)
Skript „HEMT“, Prof.W.Bächtold, früher ETH-IFH
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HEMT: Entwicklungsrichtungen (Auswahl)
• InP HEMT →GaAs mHEMT →GaAs pHEMT
• Si MOSFET konkurrenzfähig (insbes. unter 100 nm)
• fT bis 300 GHz, fmax ≈ 1 THz(Gatelänge 35 nm)
• S0 bis 1.5 mS/mm
PD Dr. F. Schwierz (TU Ilmenau), Oktober 2012
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