Tranzystory SiGe.pdf

(71 KB) Pobierz
Trendy i perspektywy
Tranzystory SiGe
Przez co najmniej kilkanaście lat wydawało
się, że german nieodwracalnie przestał liczyć
się jako materiał, z którego wykonuje się ele−
menty półprzewodnikowe. Starsi elektronicy
pamiętają germanowe tranzystory, które mia−
ły zatrważająco wielkie prądy zerowe,
a współczynnik wzmocnienia prądowego
częstokroć był mniejszy od 10.
German nie przeszedł jednak do lamusa
historii. Pod pewnymi względami jest lepszy
od krzemu. Dlatego w dobie absolutnej hege−
monii krzemu trwały próby wykorzystania
zalet germanu. Zaowocowały one w 1987 ro−
ku wyprodukowaniem pierwszego heterozłą−
czowego tranzystora (w skrócie HBT − hete−
rostructure bipolar transistor) krzemowo−ger−
manowego (SiGe).
Pomysł budowy tranzystora heterozłączo−
wego, czyli zbudowanego z co najmniej dwóch
różnych materiałów, nie jest nowy. Pojawił się
pod koniec lat 40., na samym początku epoki
tranzystorowej, a w latach 50. zyskał podstawy
teoretyczne. Praktycznej realizacji doczekał się
w roku 1967, gdy zaprezentowano użyteczny
heterozłączowy tranzystor GaAs i AlGaAs.
Tranzystory GaAs (z arsenku galu) są dziś po−
wszechnie wykorzystywane w sprzęcie w.cz.
Określenie HBT SiGe mogłoby sugero−
wać, że tranzystor zbudowany jest w połowie
z krzemu i w połowie z germanu. Prawda jest
zupełnie inna. Jest to generalnie tranzystor
krzemowy, wytworzony w technologii epita−
ksjalnej. Bardzo cienka warstewka germanu
jest jedynie nałożona na (krzemowy) obszar
bazy. W ten sposób tylko obszar bazy zbudo−
wany jest z krzemu i dodatkowej, cieniutkiej
warstewki germanu. Dodanie germanu do ob−
szaru bazy krzemowego tranzystora spowodo−
wało znaczne zwiększenie ruchliwości nośni−
ków, a tym samym częstotliwości granicznej,
oraz obniżenie szumów.
Stworzenie użytecznych elementów ak−
tywnych SiGe nie było łatwe ze względu na
istotne różnice wielkości modułu siatki kry−
stalicznej krzemu i germanu (4,2%). Właśnie
dlatego nałożona warstewka germanu nie
może być gruba. Potrzeba było kilku lat ba−
dań, by ostatecznie przezwyciężyć występu−
jące trudności technologiczne, aby w nałożo−
nej warstwie germanu nie było defektów i by
była trwała.
Już w 1997 zademonstrowano pierwszy
użyteczny tranzystor HBT. W roku 1990 za−
prezentowano tranzystor SiGe o częstotliwo−
ści granicznej równej 75GHz (tranzystory
krzemowe mają częstotliwość graniczną co
najwyżej kilka GHz). Dziś godne uwagi są do−
niesienia o tranzystorach SiGe mających czę−
stotliwość graniczną powyżej 120GHz.
Współpracujące ze sobą firmy IBM i Analog
Devices pokazały 12−bitowy przetwornik
A/D o szybkości 1GS/s zawierający 2854
tranzystorów SiGe. Zademonstrowano liczne
wzmacniacze, mieszacze i oscylatory na za−
kres częstotliwości 2...40GHz. Pod koniec
1996 roku zademonstrowano tranzystor mocy
SiGe nadający się do pracy w systemach rada−
rowych 2,8GHz przy mocy 230W w impulsie.
Skonstruowano prototypy różnych cyfrowych
układów scalonych, mogących pracować przy
prędkości 20...30Gbit/s, gdzie czas propagacji
bramki jest rzędu kilkunastu pikosekund.
Co bardzo ważne, elementy SiGe mogą
być wytwarzane na typowych "krzemowych"
liniach technologicznych. Gwarantuje to niski
koszt produkcji, trochę wyższy od klasycz−
nych elementów krzemowych. Jest to ogro−
mnie ważna zaleta, ponieważ elementy z ar−
senku galu (GaAs) są zdecydowanie droższe
od elementów SiGe, mniej więcej czterokrot−
nie, nie mówiąc o jeszcze szybszych i jeszcze
droższych elementach z fosforku indu (InP).
Przed elementami SiGe roztaczają się szero−
kie perspektywy. W laboratoriach firm i insty−
tutów trwają też próby wytworzenia już nie
układów scalonych, ale całych systemów mi−
krofalowych SiGe, zawierających oprócz ele−
mentów aktywnych, także pasywne (kondensa−
tory, cewki i linie transmisyjne), na zakres czę−
stotliwości do kilkudziesięciu GHz. W tym wy−
padku stosuje się elementy mikromechaniczne
(MEMS) ze względu na specyficzne wymaga−
nia związane ze stratami przy bardzo wysokich
częstotliwościach.
Z różnych ośrodków badawczych nadcho−
dzą informacje o próbach wykorzystania polo−
wych tranzystorów SiGe (MODFET, HFET)
oraz elementów optycznych SiGe, mogących
pracować w zakresie mikrofalowym. Choć ge−
neralnie tranzystory polowe SiGe są dopiero
na etapie wstępnych badań, na przykład firma
AmberWave we współpracy z DaimlerChry−
sler AG już oferuje tranzystor polowy HEMT
(High Electron Mobility Transistor) typu DC−
2060. Jest to rodzaj FET−a SiGe, mogący pra−
cować do 20GHz jako wzmacniacz, a w ukła−
dach generacyjnych do 60...80GHz.
Trwają prace nad opanowaniem technologii
wytwarzania komplementarnych tranzystorów
polowych SiGe. Bada się możliwości zintegro−
wania klasycznych elementów CMOS, foto−
diod i elementów SiGe (HBT, HEMT) w jed−
nej strukturze. Jeden układ scalony zawierałby
na krzemowym podłożu elementy czynne
CMOS (klasyczne i SiGe), źródła promienio−
wania na bazie Si/SiGe (zamiast dzisiejszych
diod LED), odbiorniki promieniowania (foto−
diody), a nawet zintegrowane krzemowe świa−
tłowody (dla przypomnienia − szkło zbudowa−
ne jest też na bazie krzemu). Powstały już
pierwsze laboratoryjne LED−y i fotodetektory
SiGe. Bardzo obiecujące są perspektywy czuj−
ników podczerwieni 3...12µm do systemów
termowizyjnych. Zbudowano prototypy detek−
torów promieniowania w postaci matryc za−
wierających do 400x400 elementów.
Nie ulega wątpliwości, że różnorodne ele−
menty SiGe szybko zajmą ważne miejsce na
rynku i już wkrótce będą powszechnie stoso−
wane w komunikacji ruchomej (MOBICOM
− MOBIe COMmunication), satelitarnej
(SATCOM), światłowodowej (FIBRECOM)
oraz bezprzewodowych lokalnych sieciach
komputerowych (WLAN − Wireless Local
Area Network) − zobacz rysunek tytułowy.
(red)
88
Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin