Un transistor bipolar de heterojunción ( HBT ) es un tipo de transistor de unión bipolar (BJT) que utiliza diferentes materiales semiconductores para las regiones de emisor y base, creando una heterojunción . El HBT mejora al BJT en el sentido de que puede manejar señales de frecuencias muy altas, hasta varios cientos de GHz . Se utiliza comúnmente en circuitos ultrarrápidos modernos, principalmente sistemas de radiofrecuencia (RF), y en aplicaciones que requieren una alta eficiencia energética, como amplificadores de potencia de RF en teléfonos celulares . La idea de emplear una heterojunción es tan antigua como el BJT convencional, y se remonta a una patente de 1951. [1] La teoría detallada del transistor bipolar de heterojunción fue desarrollada por Herbert Kroemer en 1957. [2]
La principal diferencia entre el BJT y el HBT es el uso de materiales semiconductores diferentes para la unión emisor-base y la unión base-colector, creando una heterojunción. El efecto es limitar la inyección de huecos desde la base hacia la región del emisor, ya que la barrera de potencial en la banda de valencia es mayor que en la banda de conducción. A diferencia de la tecnología BJT, esto permite utilizar una alta densidad de dopaje en la base, reduciendo la resistencia de la base mientras se mantiene la ganancia. La eficiencia de la heterojunción se mide mediante el factor de Kroemer. [3] Kroemer recibió el Premio Nobel en 2000 por su trabajo en este campo en la Universidad de California, Santa Bárbara.
Los materiales utilizados para el sustrato incluyen silicio, arseniuro de galio y fosfuro de indio , mientras que las aleaciones de silicio/silicio-germanio , arseniuro de galio y aluminio /arseniuro de galio y fosfuro de indio / arseniuro de galio e indio se utilizan para las capas epitaxiales. Los semiconductores de banda ancha, como el nitruro de galio y el nitruro de galio e indio, son especialmente prometedores.
En los transistores de heteroestructura graduada de SiGe , la cantidad de germanio en la base es graduada, lo que hace que la banda prohibida sea más estrecha en el colector que en el emisor. Esa disminución de la banda prohibida conduce a un transporte asistido por campo en la base, que acelera el transporte a través de la base y aumenta la respuesta de frecuencia.
Debido a la necesidad de fabricar dispositivos HBT con capas de base delgadas con un nivel extremadamente alto de dopaje, se emplea principalmente la epitaxia de haz molecular . Además de las capas de base, emisor y colector, se depositan capas altamente dopadas a ambos lados del colector y el emisor para facilitar un contacto óhmico , que se colocan sobre las capas de contacto después de la exposición mediante fotolitografía y grabado. La capa de contacto debajo del colector, denominada subcolector, es una parte activa del transistor.
Se utilizan otras técnicas según el sistema de materiales. IBM y otras empresas utilizan la deposición química en fase de vapor a ultra alto vacío (UHVCVD) para SiGe; otras técnicas utilizadas incluyen MOVPE para sistemas III-V .
Normalmente, las capas epitaxiales están emparejadas en red (lo que restringe la elección del intervalo de banda, etc.). Si están casi emparejadas en red, el dispositivo es pseudomórfico , y si las capas no están emparejadas (a menudo separadas por una fina capa intermedia), es metamórfico .
Se demostró que un transistor bipolar de heterojunción pseudomórfica desarrollado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign , construido a partir de fosfuro de indio y arseniuro de indio y galio y diseñado con colector, base y emisor compositivamente graduados, corta a una velocidad de 710 GHz. [4] [5]
Además de ser rompedores de récords en términos de velocidad, los HBT hechos de InP / InGaAs son ideales para circuitos integrados optoelectrónicos monolíticos. Un fotodetector de tipo PIN está formado por las capas base-colector-subcolector. La banda prohibida de InGaAs funciona bien para detectar señales láser infrarrojas de longitud de onda de 1550 nm utilizadas en sistemas de comunicación óptica. Al polarizar el HBT para obtener un dispositivo activo, se obtiene un fototransistor con alta ganancia interna. Entre otras aplicaciones de los HBT se encuentran los circuitos de señal mixta, como los convertidores analógico-digital y digital-analógico.