Heterojuostinis bipolinis tranzistorius (HBT) – apibrėžimas ir RF taikymai

Sužinokite, kas yra heterojuostinis bipolinis tranzistorius (HBT), kaip jis veikia ir kokie RF taikymai — aukšto dažnio grandinės, mobilieji telefonai ir efektyvūs RF stiprintuvai.

Heterojuostinis bipolinis tranzistorius (HBT) yra bipolinės sandūros tranzistoriaus (BJT) tipas, kurio emiterio ir bazės sritims naudojamos skirtingos puslaidininkinės medžiagos, todėl susidaro heterojungtis. Dėl heterojungties galima pasiekti didesnę emiterio įpurškimo efektyvumą ir lygiagrečiai sumažinti bazės atsparumą, kas leidžia HBT veikti aukštesniais dažniais ir su didesne galia nei įprastiniai BJT. HBT gali apdoroti daug didesnio dažnio signalus (iki kelių šimtų GHz) nei tradiciniai BJT.

Konstrukcija ir veikimo principas

HBT struktūra paprastai susideda iš trijų sluoksnių: emiterio, bazės ir kolektoriaus, kur bent vienas iš šių sluoksnių yra sudarytas iš kitokios puslaidininkinės medžiagos, sudarančios heterojungtį su gretimais sluoksniais. Heterojungtis sugeba:

• riboti nepageidaujamą įkrovinių reinjekciją (pvz., trukdo skylėms patekti iš bazės į emiterį), kas padidina emisijos efektyvumą,
• leidžia griežčiau dozuoti bazės laidumą, todėl sumažinamas bazės atsparumas ir sutrumpėja bazės tranzito laikas,
• naudoti energijos juostos laiptelius (bandgap engineering) optimizuojant srautus ir triukšmą.

Medžiagos ir gamybos metodai

Populiariausios HBT medžiagos ir technologijos:

• GaAs/AlGaAs HBT — dažnai naudojamos ankstyvuosiuose RF ir mikrobangų įrenginiuose;
• InP/InGaAs HBT — naudojamos itin aukštiems dažniams ir optiniams ryšiams dėl geresnių elektros savybių esant mm‑bangų dažniams;
• SiGe HBT — heterojuostinė struktūra formuojama naudojant SiGe bazę ant silicio branduolio, populiari dėl mažesnių gamybos išlaidų ir suderinamumo su silicio mikroschemų technologijomis.

Pagrindinės savybės ir privalumai

• Aukštas dažnio diapazonas: didelis skerspjūvio dažnis (fT) ir maksimalus išėjimo dažnis (fmax) — naudinga RF ir mikrobangų taikymams;
• Didesnis galios efektyvumas: heterostruktūros leidžia pasiekti geresnį išėjimo efektyvumą RF galios stiprintuvuose, pvz. mobiliuosiuose telefonuose;
• Gera triukšmo charakteristika: tinkamai optimizuoti HBT gali pasižymėti mažesniu šaltinio triukšmu RF grandinėse;
• Greitas atsigavimas ir aukšta linijinė galia: dėl trumpesnio bazės tranzito laiko ir mažesnio pasipriešinimo.

RF taikymai

HBT dažniausiai naudojami šiuolaikinėse itin greitose grandinėse, dažniausiai radijo dažnių (RF) sistemose. Konkrečios taikymo sritys:

• RF galios stiprintuvai mobiliajame ryšyje (BTS ir telefonų siųstuvai);
• priekinio signalo stiprinimo grandinės (LNA), mišytuvai ir oscilatoriai radijo imtuvuose;
• MMIC (monolitinės mikrobangų grandinės) ir palydovinė/avionikos elektronika;
• optiniai siųstuvai ir komunikacijos įrenginiai, kur reikalingas didelis dažnis ir greitas atsakas;
• aukštos spartos skaitmeninės grandinės, kuriose reikalingas didelis perjungimo greitis.

Iššūkiai ir apribojimai

Nors HBT turi daug privalumų, yra ir trūkumų:

• Sudėtingesnė gamyba ir didesnės sąnaudos nei standartiniams silicio BJT;
• medžiagų suderinamumo ir kristalinės struktūros (lattice mismatch) problemos, ypač kai derinamos skirtingos chemijos medžiagos;
• šiluminis valdymas — didesnės galios taikymuose būtina efektyvi aušinimo sprendimų integracija;
• ilgaamžiškumo ir patikimumo klausimai tam tikrose ekstremaliose sąlygose.

Istorija ir vystymasis

Idėja naudoti heterodujungtį atsirado jau viduryje XX a. (pirmieji pasiūlymai ir patentai pasirodė 1950‑aisiais–1950–1960 m.), o praktiškas HBT vystymasis pasiekė spartų pagreitį nuo 1960–1970 m., kartu su pažangiais epitaksiniais sluoksnių auginimo būdais. Dėl heterostruktūrų tyrimų bei pritaikymo aukšto dažnio elektronikoje buvo suteikta reikšminga reikšmė tiek mokslui, tiek pramonei.

Techniniai rodikliai, į kuriuos kreipiama dėmesį

Svarbiausi HBT parametrų rodikliai yra:

• fT (turėjimo dažnis) — dažnis, prie kurio mažėja mažinamoji maž. stiprintuvo stiprintojo vientisumas iki 1;
• fmax — maksimalus dažnis, kuriame įrenginys gali amplifikuoti energiją;
• išėjimo galia, darbo įtampa ir maksimalus kollektoriaus srovės lygis;
• triukšmo skaičius (noise figure), linijinis išėjimo diapazonas (IP3) ir efektyvumas (PAE) galios stiprintuvuose.

Apibendrinant, HBT yra svarbi technologija aukšto dažnio ir didelio greičio elektronikoje: ji leidžia derinti didelį dažnį, gerą galios efektyvumą ir priimtiną triukšmo charakteristiką, todėl plačiai naudojama RF grandinėse ir mobiliojo ryšio įrangos galios stiprintuvuose.

Medžiagos

Pagrindinis skirtumas tarp BJT ir HBT yra tas, kad emiterio ir bazės sritims naudojamos skirtingos puslaidininkinės medžiagos, todėl susidaro heterosujungimas. Tai riboja skylių iš bazės į emiterio sritį patekimą, nes potencialo barjeras valentinėje juostoje yra didesnis nei laidumo juostoje. Kitaip nei BJT technologijoje, tai leidžia bazėje naudoti didelį dopingo tankį. Didelis dopingo tankis sumažina bazės varžą ir kartu išlaiko stiprinimą. Hetero jungties efektyvumas matuojamas Kromerio koeficientu.

Graduoto heterojungties npn dvipolio tranzistoriaus juostos. Nurodytos kliūtys elektronams judėti iš emiterio į bazę ir skylėms grįžti atgal iš bazės į emiterį; Be to, bazės juostos tarpo gradavimas padeda elektronų pernašai bazės srityje; Šviesios spalvos rodo nuskurdintas sritis

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra heterojungties bipolinis tranzistorius (HBT)?

K: Kuo HBT skiriasi nuo BJT?

K: Kokios yra kai kurios HBT taikymo sritys?

K: Kada buvo sugalvota BJT naudoti heterodujungtį?

K: Koks HBT naudojimo privalumas radijo dažnių sistemose?

K: Koks HBT naudojimo mobiliuosiuose telefonuose privalumas?

K: Kokie regionai naudojami HBT?

Paieška pagal raidę