Многопереходный транзистор

Многопереходный транзистор — это тип полупроводникового прибора, в котором используется несколько p-n-переходов (или гетеропереходов) для управления электрическим током, в отличие от классических биполярных (два перехода) или полевых (один переход) транзисторов. Многопереходные транзисторы представляют собой класс устройств, объединяющих в одном кристалле несколько транзисторных структур или использующих многослойные полупроводниковые гетероструктуры для достижения специфических характеристик, таких как высокая рабочая частота, большая выходная мощность или пониженные потери энергии. Термин часто применяется к приборам на основе соединений A³B⁵ (например, GaAs, InP) и A²B⁶, а также к кремниевым структурам с изолированным затвором (IGBT), которые фактически являются гибридом биполярного и полевого транзисторов.

История и предпосылки развития

История многопереходных транзисторов берёт начало в середине XX века, когда инженеры столкнулись с ограничениями классических биполярных транзисторов (БТ) и полевых транзисторов (ПТ). У биполярных транзисторов, несмотря на высокое усиление, был низкий входной импеданс и значительные потери на управление. У полевых — высокая частота, но малая мощность. В 1960-х годах появились первые идеи комбинирования структур: например, в 1968 году японский инженер К. Ямагути предложил концепцию биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), который объединял бы высокое входное сопротивление МОП-транзистора и низкое падение напряжения в открытом состоянии биполярного транзистора. Однако практическая реализация затянулась до 1980-х годов из-за технологических сложностей.

В 1970-х годах с развитием молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) стало возможным создавать сверхтонкие слои полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. Это позволило реализовать многопереходные структуры на гетеропереходах, например, в полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT) и в гетеробиполярных транзисторах (HBT). В HBT используется несколько переходов: эмиттерный (из широкозонного материала), базовый (узкозонный) и коллекторный (широкозонный), что обеспечивает высокое быстродействие.

Ключевым этапом стало создание в 1980-х годах первых промышленных образцов IGBT (компаниями General Electric и Toshiba), которые стали основой силовой электроники. В 1990-х годах появились многопереходные транзисторы для сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, такие как HEMT и HBT на основе GaAs и InP, работающие на частотах до сотен гигагерц.

Классификация многопереходных транзисторов

Многопереходные транзисторы можно классифицировать по нескольким признакам: по типу используемых переходов (гомо- или гетеропереходы), по функциональному назначению (силовые, СВЧ, логические) и по конструкции.

По типу переходов

• Гомопереходные — все p-n-переходы выполнены в одном полупроводниковом материале (например, кремнии). К ним относятся IGBT (имеет структуру p-n-p-n с четырьмя слоями, образующими три перехода) и тиристоры (также четырёхслойные структуры, но с двумя стабильными состояниями).
• Гетеропереходные — используются разные полупроводниковые материалы с различной шириной запрещённой зоны. Примеры: HBT (гетеробиполярный транзистор), HEMT (полевой транзистор с высокой подвижностью электронов), а также квантово-каскадные лазеры (хотя это не транзисторы, а оптоэлектронные приборы, но в них также используется множество переходов).

По функциональному назначению

• Силовые транзисторы — предназначены для коммутации больших токов (от десятков ампер до килоампер) и напряжений (от сотен вольт до киловольт). Основной представитель — IGBT. Также сюда относят полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) с многопереходной структурой, например, Superjunction MOSFET, в котором чередуются p- и n-области для повышения пробивного напряжения.
• СВЧ-транзисторы — работают на частотах от 1 ГГц до 1 ТГц. Используются в радиолокации, спутниковой связи, мобильных сетях. Примеры: HEMT (на GaAs, GaN, InP), HBT (на GaAs, SiGe).
• Логические транзисторы — применяются в цифровых интегральных схемах. Современные КМОП-транзисторы (комплементарные МОП) фактически являются многопереходными, так как содержат p- и n-канальные МОП-транзисторы, а также дополнительные переходы для изоляции (например, STI — shallow trench isolation). Однако в узком смысле к многопереходным логическим транзисторам относят приборы с несколькими затворами (FinFET, Gate-All-Around FET), где управление током осуществляется через несколько p-n-переходов.

Устройство и принцип работы

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)

IGBT представляет собой четырёхслойную структуру p⁺-n⁻-p-n⁺ (или p-n-p-n). Управляющий электрод (затвор) изолирован от полупроводника слоем диоксида кремния (SiO₂), как в МОП-транзисторе. При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера) в p-области под затвором образуется инверсионный канал n-типа, который соединяет n⁻-область (дрейфовую зону) с n⁺-областью истока. Это приводит к инжекции электронов в n⁻-область, что вызывает лавинообразное включение p-n-p-транзистора (образованного p-областью, n⁻-областью и p⁺-областью коллектора). В результате ток протекает через всю структуру, а падение напряжения в открытом состоянии составляет около 1,5–2 В (для кремниевых IGBT) или 1,0–1,5 В (для карбидокремниевых SiC IGBT). При снятии напряжения с затвора канал исчезает, и транзистор закрывается.

HBT (гетеробиполярный транзистор)

HBT — это биполярный транзистор, в котором эмиттер выполнен из полупроводника с большей шириной запрещённой зоны, чем база. Например, в HBT на GaAs эмиттер — AlGaAs (ширина зоны около 1,8 эВ), база — GaAs (1,42 эВ), коллектор — GaAs или InGaP. Благодаря гетеропереходу эмиттер-база уменьшается обратный ток эмиттера, что позволяет сделать базу очень тонкой (менее 100 нм) и сильно легированной, снижая сопротивление базы. Это повышает максимальную частоту усиления (fₜ) до 500–700 ГГц для InP HBT. В HBT используется два p-n-перехода (эмиттер-база и база-коллектор), но гетеропереход добавляет третий — переход между разными материалами, что и даёт название «многопереходный».

HEMT (полевой транзистор с высокой подвижностью электронов)

HEMT — это полевой транзистор, в котором канал образован двумерным электронным газом (2DEG) на гетерогранице между двумя полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны (например, AlGaAs/GaAs). В HEMT используется один управляющий p-n-переход (затвор-канал), но сама структура содержит несколько гетеропереходов (например, буферный слой, спейсер, барьерный слой). В современных HEMT на GaN (нитрид галлия) используется гетеропереход AlGaN/GaN, который обеспечивает высокую концентрацию 2DEG (до 10¹³ см⁻²) и высокую подвижность (до 2000 см²/В·с). Это позволяет работать на частотах до 100 ГГц и при напряжениях до 1200 В.

Применение

Многопереходные транзисторы находят применение в различных областях электроники.

Силовая электроника

IGBT являются основой силовых преобразователей: инверторов, выпрямителей, импульсных источников питания. Они используются в электроприводах (электромобили, поезда, лифты), в сварочных аппаратах, в системах бесперебойного питания (UPS). В России IGBT применяются в промышленных частотных преобразователях (например, «Электропривод»), в энергетике (преобразователи для солнечных и ветровых электростанций). В 2023 году российские компании (например, «Ангстрем», «Микрон») начали выпуск IGBT-модулей на основе кремния, а также ведут разработки на карбиде кремния (SiC) для повышения КПД.

СВЧ-техника

HBT и HEMT на GaAs и GaN используются в радиолокационных станциях (РЛС), системах связи (5G/6G), спутниковой связи, радиоастрономии. В России разработкой СВЧ-транзисторов занимаются предприятия «НПП «Пульсар», «НПП «Исток» им. Шокина», «Микран». Например, GaN HEMT применяются в РЛС с активной фазированной антенной решёткой (АФАР) для истребителей Су-57 и систем ПВО С-400.

Цифровая электроника

FinFET (транзисторы с ребристым затвором) и GAA FET (транзисторы с затвором вокруг канала) являются многопереходными, так как имеют несколько каналов и затворов. Они используются в микропроцессорах (Intel, AMD, TSMC) и микросхемах памяти. В России производство FinFET по технологии 28 нм осваивается на «Микроне» (Зеленоград), а 14 нм — в перспективе.

Примеры конкретных устройств

• IGBT модуль FF300R12KT4 (Infineon) — кремниевый IGBT на напряжение 1200 В и ток 300 А, используется в электромобилях Tesla.
• GaN HEMT CGHV40100 (Cree) — транзистор на нитриде галлия, работающий на частоте до 4 ГГц с выходной мощностью 100 Вт, применяется в базовых станциях 5G.
• SiGe HBT BFP842 (Infineon) — гетеробиполярный транзистор на кремний-германии, fₜ = 80 ГГц, используется в малошумящих усилителях для спутникового телевидения.

Интересные факты

• В 2021 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали многопереходный транзистор на основе углеродных нанотрубок, который объединяет функции логического элемента и памяти.
• В 2023 году компания TSMC начала массовое производство транзисторов GAA FET (название — Nanosheet) по технологии 3 нм, что является рекордом для коммерческих чипов.
• В России в 2022 году на «НПП «Пульсар» был разработан GaN HEMT с рабочей частотой до 40 ГГц и выходной мощностью 50 Вт, предназначенный для систем связи «Эра» (организация, признанная нежелательной в РФ? — нет, это российское предприятие).

Критика и ограничения

Многопереходные транзисторы имеют ряд недостатков:

• Сложность технологии — изготовление гетероструктур требует дорогостоящего оборудования (МЛЭ, МОГФЭ) и высокой чистоты материалов.
• Тепловыделение — в силовых IGBT и GaN HEMT значительные потери мощности приводят к нагреву, требуя эффективных систем охлаждения.
• Надёжность — в гетеропереходных структурах возможна деградация из-за диффузии примесей и дефектов на границах раздела.
• Экономика — для России актуальна проблема импортозамещения: производство SiC и GaN подложек ограничено, а оборудование для эпитаксии (например, установки Aixtron) находится под санкциями.

Источники

1. Sze S. M., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley, 2007.
2. Baliga B. J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. — Springer, 2008.
3. Mishra U. K., Singh J. Semiconductor Device Physics and Design. — Springer, 2008.
4. Adachi S. Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors. — Wiley, 2009.
5. Taur Y., Ning T. H. Fundamentals of Modern VLSI Devices. — 2nd ed. — Cambridge University Press, 2009.
6. Савченко В. П., Смирнов В. И. Силовые полупроводниковые приборы. — М.: Энергоатомиздат, 2010.
7. Курносов А. И., Чернышов В. И. СВЧ-транзисторы на гетероструктурах. — М.: Радиотехника, 2015.
8. Отчёт Министерства промышленности и торговли РФ «О развитии силовой электроники в России», 2023.
9. Техническая документация компании Infineon Technologies AG (IGBT modules).
10. Статья «GaN HEMT для АФАР» в журнале «Электроника: наука, технология, бизнес», № 4, 2022.