Heteroliitosbipolaaritransistori (HBT) – toiminta, ominaisuudet ja sovellukset

Heteroliitosbipolaaritransistori (HBT) on eräänlainen bipolaariliitostransistori (BJT), jossa käytetään eri puolijohdemateriaaleja emitteri- ja emäsalueilla, jolloin muodostuu heteroliitos. HBT voi käsitellä paljon korkeampien taajuuksien signaaleja (jopa useita satoja GHz) kuin BJT. HBT:tä käytetään yleisesti nykyaikaisissa ultranopeissa piireissä, useimmiten radiotaajuusjärjestelmissä (RF), ja sovelluksissa, jotka vaativat suurta tehotehokkuutta, kuten matkapuhelinten RF-tehovahvistimet. Ajatus heterojunktion käytöstä on yhtä vanha kuin perinteinen BJT, sillä se on peräisin patentista vuodelta 1951.

Toimintaperiaate

HBT:n perusajatus on sama kuin BJT:ssä — emitteristä injektoidaan kantajia emäkseen, joista osa kulkeutuu kerääjälle ja tuottaa sähkövirran. Erot tulevat heteroliitoksesta: emitteri ja emäs ovat eri materiaalien muodostamia, jolloin johtumis- ja aukkoenergian (bandgap) rajat voidaan säätää. Tämä mahdollistaa suuremman kantajien injektion emitteristä ja samalla pienentää vastavirtaa emäkseen, eli parantaa injektiotehokkuutta.

Esimerkiksi NPN-HBT:ssä tyypillinen toiminta on:

Emitter-emäs-liitos on eteenpäin kytketty, jolloin elektronit virtaavat emitteristä ohuen, kevyesti dopatun basen läpi kerääjälle.
Base on tehty hyvin ohueksi ja sen koostumusta voidaan gradientoida niin, että syntyy sisäinen sähkökenttä, joka kiihdyttää kantajia ja nopeuttaa niiden kulkeutumista (ns. graded base -tekniikka).
Collector on yleensä laajempi ja kerää läpi kulkevat elektronit.

Rakenne ja materiaalit

Tavallisia HBT-materiaaliyhdistelmiä ovat:

GaAs / AlGaAs — perinteinen valinta optimaaliselle suorituskyvylle RF- ja mikropiirisovelluksiin.
InP / InGaAs — käytetään mm. millimetriaallon (mm-wave) ja optisten yhteyksien sovelluksissa korkean nopeuden takia.
SiGe-on-Si (SiGe HBT) — hyödyntää piipohjaista teknologiaa ja integroituvuutta CMOS/BiCMOS-prosessien kanssa; laajalti käytetty analogiassa ja nopeissa signaalipiireissä.
GaN-yhdisteitä tutkitaan korkeateho- ja korkeajännitesovelluksiin.

Ominaisuudet ja suorituskyky

HBT:lle tyypillisiä etuja ja suorituslukemia ovat:

Korkea fT ja fmax — siirtymämallin taajuus (fT) ja maksimi-päästetaajuus (fmax) voivat olla huomattavasti korkeampia kuin vastaavilla BJT:llä.
Parempi tehonkesto ja hyötysuhde — erityisesti RF-tehovoimissa HBT tarjoaa hyvän tehonkestävyyden ja lineariteetin.
Pienempi kohina — oikealla materiaalivalinnalla ja optimoinnilla saavutetaan alhaiset kohina-arvot RF-vastaanottimissa.
Nopeampi kantajien kuljetus — ohut ja kevyesti dopattu base mahdollistaa lyhyemmät kantajien elinajat ja nopeamman vasteen.

Mitta-arvoina fT voi olla satoja GHz riippuen materiaalista ja prosessista; SiGe-HBT:issä satoja GHz:in alueelle päästään huolellisella suunnittelulla, ja III-V-pohjaiset HBT:t usein yltävät parhaisiin ns. mm-wave-suorituskykyihin.

Valmistus ja materiaalitekniikka

HBT:t valmistetaan yleensä kerrostamalla atomitarkasti eri puolijohdemateriaaleja käyttäen epitaksiatekniikoita kuten MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) tai MBE (Molecular Beam Epitaxy). Tärkeitä valmistuskohtia:

Kerrospaksuuksien ja dopauksen tiukka kontrolli — etenkin basen ohuus on kriittinen suorituskyvylle.
Komponenttien rajapinnat on pidettävä virheettöminä, jotta liittyviat häviöt ja rekombinaatio vältetään.
Metallisointi ja liitosten tekeminen edellyttävät alhaista kontaktivastusta ja hyvää lämmönsiirtoa.

Sovellukset

HBT:tä käytetään laajasti sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeaa taajuutta, tehoa ja hyvää lineariteettia:

Matkapuhelinten RF-etuvahvistimet ja tehovahvistimet
Langattomat tietoliikennejärjestelmät (mmWave 5G ja tulevat standardit)
Satelliittiviestintä ja tutkat
Optinen vastaanottoelektroniikka ja laajakaistaiset vastaanottimet
Teollisuuden korkeataajuiset signaalilähteet ja oskillaattorit

Edut ja haitat

Edut:

Hyvä taajuus- ja tehosuorituskyky
Sopii korkeataajuisiin ja matalakohinaisiin sovelluksiin
Mahdollisuus optimointiin materiaalivalinnoilla ja rakenteilla

Haitat:

Monimutkaisempi valmistus kuin tavallinen piipohjainen BJT
Joissain III-V-materiaaleissa heikompi terminen johtavuus ja korkeammat kustannukset
Luotettavuusongelmat, kuten kuumien kantajien vaikutukset ja rajapinnan trapit, vaativat huolellista suunnittelua

Vertailu muihin transistorityyppeihin

HBT:t tarjoavat etuja HEMT- ja MOSFET-tyypeihin verrattuna tietyissä sovelluksissa:

HEMT (High Electron Mobility Transistor) voi tarjota erittäin korkean fT ja alhaisen kohinan, mutta HBT tarjoaa usein paremman lineaarisuuden ja helpomman tehonkäsittelyn RF-tehovahvistimissa.
MOSFET ja CMOS tarjoavat hyvää integroitavuutta ja tehokkuutta digitaalisissa piireissä, mutta HBT:t yltävät yleensä parempaan analogiseen/nopeaan RF-suorituskykyyn.

Suunnittelukysymyksiä ja tulevaisuus

HBT-suunnittelussa keskeisiä seikkoja ovat basen ohuus ja koostumus, heteroliitoksen energiatasot, lämmönhallinta sekä luotettavuus. Tulevaisuudessa yhdistelmät kuten SiGe HBT integroituna CMOS-tekniikkaan sekä kehittyvät III-V-materiaalit (esim. GaN- ja InP-pohjaiset ratkaisut) laajentavat HBT:n käyttömahdollisuuksia erityisesti 5G/6G- ja korkean taajuuden sovelluksissa.

Yhteenvetona HBT on tehokas ratkaisu silloin, kun tarvitaan korkea-taajuista suorituskykyä, hyvää kohinaneliminointia ja tehokasta RF-tehokäsittelyä. Materiaalivalinta, epitaksian laatu ja huolellinen rakenneoptimoiminen määrittävät lopullisen suorituskyvyn ja luotettavuuden.

Materiaalit

Tärkein ero BJT:n ja HBT:n välillä on eri puolijohdemateriaalien käyttö emitteri- ja emäsalueilla, jolloin muodostuu heteroliitos. Tämä rajoittaa reikien injektiota emitterialueelle emitterialueelta, koska valenssikaistan potentiaalieste on korkeampi kuin johtokaistan. Toisin kuin BJT-tekniikassa, tämä mahdollistaa suuren dopingtiheyden käytön emäksessä. Korkea dopingtiheys pienentää perusresistanssia ja säilyttää samalla vahvistuksen. Heteroliitoksen hyötysuhde mitataan Kroemerin kertoimella.

Gradoitujen heterojunktion npn-bipolaaritransistorien kaistat. Esteet, joiden avulla elektronit voivat siirtyä emittorista emittoriin ja reiät voivat siirtyä takaisinpäin emittorista emittoriin; myös bändiaukon porrastus emittorissa auttaa elektronien kulkua emittorin alueella; vaaleat värit ilmaisevat köyhdytettyjä alueita.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on heterojunktion bipolaaritransistori (HBT)?

V: Heteroliitosbipolaaritransistori (HBT) on eräänlainen bipolaariliitostransistori (BJT), jossa käytetään eri puolijohdemateriaaleja emitteri- ja emäsalueilla, jolloin syntyy heteroliitos.

K: Miten HBT eroaa BJT:stä?

V: HBT pystyy käsittelemään paljon korkeampien taajuuksien signaaleja, jopa useita satoja GHz:iä, kuin BJT.

K: Mitkä ovat HBT:n sovelluksia?

V: HBT:tä käytetään yleisesti nykyaikaisissa ultranopeissa piireissä, useimmiten radiotaajuusjärjestelmissä (RF), ja sovelluksissa, jotka vaativat suurta tehotehokkuutta, kuten matkapuhelinten RF-tehovahvistimet.

K: Milloin otettiin käyttöön ajatus heterojunktion käyttämisestä BJT:ssä?

V: Ajatus heterojunktion käytöstä on yhtä vanha kuin perinteinen BJT, sillä se on peräisin patentista vuodelta 1951.

K: Mikä on HBT:n käytön etu RF-järjestelmissä?

V: HBT pystyy käsittelemään paljon korkeampien taajuuksien, jopa useiden satojen GHz:n, signaaleja kuin BJT, ja sitä käytetään yleisesti nykyaikaisissa ultranopeissa piireissä, lähinnä radiotaajuusjärjestelmissä (RF).

K: Mikä on HBT:n käytön etu matkapuhelimissa?

V: HBT:tä käytetään yleisesti sovelluksissa, jotka vaativat suurta tehotehokkuutta, kuten matkapuhelinten RF-tehovahvistimissa.

K: Mitä alueita HBT:ssä käytetään?

V: HBT:ssä käytetään eri puolijohdemateriaaleja emitteri- ja emäsalueilla, jolloin muodostuu heterojunction.