（微电子学与固体电子学专业论文）高频sige+hbt低噪声放大器的研究.pdf

摘要 近年来，随着无线通讯技术的快速发展，对高性能器件和电路的需求也大大 增加。s i g eh b t 不但具有s i 器件的低成本、高集成度，而且具有g a a s 器件的 高频率特性，正在被广泛应用于无线通讯、移动通讯设备中。 基于无线通讯这个巨大的应用市场，本课题集中于绝缘型衬底上s i g eh b t 及其s l o e 低噪声放大电路的研究。本课题研究的主要内容为：基于绝缘型衬底 的s i g eh b t 器件的研究和高频s i g e 低噪声放大器的分析与设计。 首先，采用绝缘型衬底进行s l o eh b t 的制备；与普通硅衬底相比，采用绝 缘型衬底制备s l o eh b t 可以获得较高的基极集电极击穿电压，较高的厄利电压 和最大震荡频率。 为了减小器件的基极、发射极电阻，得到低噪声的s i g eh b t ，采用掩埋金 属自对准工艺和离子注入工艺。 掩埋金属自对准工艺通过埋层金属结构使金属半导体接触面积实现最大 化，并将引线孔面积内的金属一半导体接触转化为金属金属接触，实现在不提 高光刻设备精度的前提下，降低各极接触电阻并减小结面积，进一步提高器件的 频率性能。 采用离子注入工艺，可以提高外基区表面掺杂浓度，减小外基区与金属接触 电阻，以及形成良好的欧姆接触，减小了接触电阻。 采用基于高阻抗绝缘型衬底的岛型大面积侧向深腐蚀隔离方法来实现高效 能的器件、电路中交、直流之间的隔离； 详细阐述了s i g eh b t 模型参数的测量方法；采用实验室的b e b 软件对设计 的s i g eh b t 进行参数提取，利用得到的模型参数进行s i g e 低噪声放大器的设计。 详细分析了s i g eh b t 的噪声模型、阻抗匹配方法以及影响放大电路线性度 的因素。 设计了带有有源偏置的s i g e 低噪声放大器的电路结构：该种结构的放大器 可以同时获得噪声匹配、功率匹配。采用a g i l e n t 公司的先进设计系统软件a d s 对s l o e 低噪声放大器的性能参数进行仿真。 详细分析了片上螺旋电感的模型，以及优化片上电感的方法；采用给出的电 感模型，用m a t l a b 编写了一个计算电感的程序：给出了本课题设计的放大电路 中的n i c r 电阻的实现方法。 最后给出了制备s i o e 低噪声放大电路的工艺流程及其制备过程中采用的主 要工艺，并设计了放大电路的最终版图。 关键词：s i o e 异质结双极型晶体管，绝缘型衬底，低噪声放大器，掩埋金属自对 准，离子注入 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa l eb e i n gg r e a t l yd e v e l o p e di nr e c e n t y e a r s ，s oh i g hp e r f o r m a n c ed e v i c e sa n dc i r c u i t sa r eb e i n gg r e a t l yr e q u i r e d s i g e h b t n o to n l yh a st h es a m el o wc o s ta n dh i g hd e n s i t ya ss id e v i c e ，b u th a st h es a m eh i g h f r e q u e n c yp e r f o r m a n c ea sg a a s ，s os i g eh b ta n di t si n t e g r a t e dc i r c u i ta r eb e i n g a p p l i e dw i d e l yi ne q u i p m e n tu s e di nw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n o nb a s i so f h u g ew i r e l e s sm a r k e t ，t h em a i nw o r kc o n c e n t r a t e so ns i g eh b ta n d i t sl o wn o i s ec i r c u i tf a b r i c a t i o no ni s o l a t e d t y p es u b s t r a t e t h es t u d yi n c l u d e st w o m a j o rp o r t i o n s ：s t u d yo fs i g eh b t b a s e do ni s o l a t e d - t y p es u b s u a t ca n da n a l y s i sa n d d e s i g no fh i g hf r e q u e n c ys i g cl o wn o i s ea m p l i f i e r f i r s t ，f a b r i c a t es i g eh b to ni s o l a t e d t y p es u b s t r a t e a sc o m p a r e dt ob u l k s i g e h b t , s i g eh b to nt h ei s o l a t e dt y p es u b s t r a t eh a v eah i g h e re a r l yv o l t a g e ， m a x i m u mo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y a n db r e a k d o w nv o l t a g e a p p l yb u r i e d m e t a ls e l f - a l i g n e dp r o c e s sa n di o ni m p l a n t a t i o nt e c h n o l o g yt o m i n i s hb a s er e s i s t a n c ea n de m i t t e rr e s i s t a n c et oa c q u i r el o w n o i s es i g eh b t b u r i e d m e t a l s e l f - a l i g n e dp r o c e s s c a nm a x i m i z et o u c ha r e ao fm e t a l s e m i c o n d u c t o rb yb u r i e d - m e t a ls t r u c t u r e ，a n dt r a n s f o r mm e t a l - s e m i c o n d u c t o rt o u c ht o m e t a l - m e t a lt o u c h i nt h i sc a s e ，m i n i s ht o u c hr e s i s t a n c ea n dj u n c t i o na r e aw i t h o u t i m p r o v i n gp r e c i s i o no fo p t i c se q u i p m e n t , u l t e r i o r l yi m p r o v ef r e q u e n c yp e r f o r m a n c e a n dn o i s ep e r f o r m a n c eo f s i g eh b t i m p r o v ea d u l t e r a t ed e n s i t yo fo u t e rb a s er e g i o nw i t hi o ni m p l a n t a t i o nt e c h n o l o g y t om i n i s ho u t e rb a s er e s i s t a n c ea n dt o u c h - r e s i s t a n c e ，a n dg o o do h mt o u c hc a l lb e a c q u i r e d i s l a n d t y p eh l l g ea r e al a t e r a l c o r r u p ti s o l a t i o nb a s e do ni s o l a t e d - t y p es u b s t r a t e w a su s e df o rr e a l i z i n gr e l i a b l ed ci s o l a t i o n ，h i g he f f i c i e n c ya ci s o l a t i o n i n t r o d u c em e t h o d su s e df o rt e s ts i g eh b t sm o d e lp a r a m e t e r s e x t r a c ts i g e h b t sm o d e lp a r a m e t e r s 、撕t 1 1 b e b s o f t w a r e a n du s ei td e s i g ns i g el o wn o i s e a m p l i f i e r a n a l y z es i g eh b t sn o i s em o d e l ，i m p e d a n c e m a t c h i n gm e t h o da n de l e m e n t s t h a te r i e c tc i r c u i t sl i n e a r i t y d e s i g nas i g el o w n o i s ea m p l i f i e r ss t r u c t u r ew i 也a c t i v es o u r c eb i a s l o wn o i s e a m p l i f i e rc a ns i m u l t a n e o u s l ya c q u i r en o i s em a t c h i n ga n dp o w e rm a t c h i n g d e s i g n s i g el o wn o i s ea m p l i f i e rw i t ha g i l e n t sa d ss o f t w a r e i n t r o d u c eh o wt om o d e la n di m p l e m e n tp a s s i v ee l e m e n t si ni n t e g r a t e dc i r c u i t ， a n dg i v em e t h o d su s e df o ro p t i m i z es q u i r ei n d u c t o ro nc h i p w r i t eap r o g r a mw i t h m a t l a bs o t t w a r et ob ea p p l i e dt oc a l c u l a t es i z eo fi n d u c t o r ；a n di ns u c c e s s i o ng i v e i m p l e m e n t a lm e t h o do f n i c rt h i nf i l mr e s i s t o r a tl a s t ，g i v ep r o c e s sf l o wu s e df o rf a b r i c a t i n gs i g el o wn o i s ea m p l i f i e ra n d p r i m a r yt e c h n o l o g yb e i n ga p p l i e di np r o c e s s ，a n df i n a l l yd e s i g nl a y o u to fc i r c u i t k e yw o r d s ：s i g eh b t ，i s o l a t e d t y p es u b s t r a t e ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ，b u r i e d m e t a l s e l f - a l i g n e dp r o c e s s ，i o ni m p l a n t a t i o n m 第一覃鳍论 曼置_ i i i 皇皇量皇皇墨 第一章绪论 1 1 刖吾 近年来，无绳电话、传呼机、大容量卫星通讯等领域的迅速发展产生了巨 大的无线通讯市场。移动通讯市场的快速发展吸引着世界范围内的大学研究机 构和电子通讯类企业。伴随着无线通信、移动通信领域消费的大众化，对高性 能、低成本的器件和集成电路的要求曰益增强。 无线通信系统的工作频率通常较高，因此对器件和电路的性能提出更高的 要求。普通的s i 器件虽然具有低成本、高集成度，但其工作频率不足够高； g a a s ( g a l l i u ma r s e n i c ) 器件虽然具有较好的高频特性，并且一直以来在微波频 段中占有重要地位，但与s i 器件相比，成本高，制备工艺难度大，并且成品率 较低。上世纪八十年代初，利用先进的材料生长系统她e ( n o l e e u l a rb e a m e p i t a x y ) 在硅衬底上成功生长出s i g e ( s i l i c o ng e r m a n i u m ) 应变层，并于1 9 8 7 年成功地研制出第一个s i g eh b t ( s i l i e o ng e r m a n i u mh e t e r o j u n c t i o nb i p o l a r t r a n s i s t o r ) “1 。由于器件在结构上的特点，s i g eh b t 具有较高的截止频率、较 低的噪声系数；而且，由于s i g eh b t 与s i 工艺兼容，从而大大降低器件和电 路的成本。本课题的研究正是基于s i g eh b t 性能的优越性，在北京市光电子技 术实验室制备的s i g eh b t 的基础上，进行s i g eh b t 器件的低噪声优化和s i g e 低噪声放大器的研究、设计。 无线通讯系统中，接收机的第一级通常连接一个低噪声放大器，其主要作 用是放大来自接收天线的徽弱的射频小信号和提供足够的增益以减弱后续各级 的噪声对整个系统的影响。图卜1 显示了一个通常的零差式射频接收机的结构 框图。 图卜l 射频接收机的结构示意圈 f i gl 】ag e n e r a la r c h i t e c t u r eo f ar fr e c e i v e r 北京工业大学工学硕士学位论文 微弱的射频小信号首先由天线接收。经过滤波器滤除带外的干扰，再由低 噪声放大器对有用信号进行放大，同时要保证附加尽可能少的噪声。微波低噪 声放大器的主要设计指标为：低噪声和高增益。 l1 2 微波s i g eh b t 及其集成电路的研究现状 随着半导体材料、结构和工艺的迅速发展，1 9 8 7 年成功制造出第一个 s i g e h b t 。s i g eh b t 有效的克服了传统双极性晶体管截止频率纠氐和m o s 管噪 声高等缺点，能够在很高的频率时仍具有较高的增益和低的嗓声系数。目前，s i g e 船t 的，i 已经超过3 0 0 g h z ，正被应用于许多领域中【4 心。下面分别简单介绍一下 s i g e 器件和电路的发展现状。 1 2 1s i g eh b t 的研究现状 早在1 9 5 1 年，肖克利( w s h o c k l e y ) 就提出：利用宽带隙材料作为n p n 晶体 管的发射区，窄带隙材料作为基区使基区注入发射区的空穴需要越过的势垒 高于发射区电子注入基区的势垒，从而提高发射结的注入效率。在很多方面使 器件的性能大为提高，同时增加了器件设计的灵活性。虽然异质结构有这样的 优势，但由于技术水平的限制，异质结构的设想直到7 0 年代初期才随着液相外 延技术( l p e ) 的出现而实现。 二十世纪八十年代末，双极型晶体管b j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 的设计随着s i g eh b t 的出现得到迅速发展。在此之前。异质结双极型晶体管仅仅 用于化合物半导体技术。如a 1 g a a s g a a s ，这是因为形成异质结的两种半导体材 料应当有相似的晶格常数，如a 1 g & a s 和g a a s 。由于s i 和g e 间的晶格失配相对较大， 约为4 2 ，因此，在二者之间很难形成较好的异质结。材料研究的结果显示：如 果s i g e 层足够薄，并且g e 组分相对较低( 小于3 0 ) ，亦可以形成质量较好的异质 结。在这种条件下，由于s i g e 是应变层，从而在s i s i g e 界面很好的避免了位错的 产生。s i g eh b t 随着材料生长技术的发展，性能逐渐提高，并在八十年代末，s i g e h b t 实现了向产品化生产的突破。当前国际上最先进的s i g eh b t 魄厅和厶。均已超 过3 0 0 g h z ，同时与s i 、l l l - v 族器件及c 舯s 器件相比具有较小的噪声系数，具有 较好的线性度特性，见表卜1 所示。s i g e 器件工艺与处于主导地位的s i t 艺兼容， 原材料丰富，价格低廉，具有l l l - v 族器件不可比拟的成本和性能优势。1 9 9 8 年 德国t e m i c 和美国i b m 公司先后宣布s i g e 器件量产，此后s i g e 器件开始快速应用于 卜4 0 g h z 的通讯和超高速电路领域，特别是s i g e 高频低噪声产品广泛应用于各类 通信领域。产生巨大商业价值。 表卜l 各种不同器件的性能比较( i 酬) t a b l e1 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tk i n do fd e v i c e s 工艺o i p 3 ( d b m )p 。( m w )线性效率 i b ms i g eh b t2 51 6 2 1 9 5 g a a sh b t2 5 2 9 11 1 g a a sh e m t2 32 01 0 g a a sm e s f e t2 06 02 s i b j t 2 7 4 61 l ( 最大线性度) s ib j t 2 24 04 ( 最9 f r ) 表中的线性效率的表达式：线性效率= o i p 3 p d c 。 在s i g eh b t 研究领域中，国外以i b m 和t e m i c 为代表。下面主要介绍i b m 公司 的s i g eh b t 技术。i b m 公司采用b s m y e r s o n 等人研发的u h v c v d 技术来生长外延 s i g e 层。在进行生长的过程中，一次性生长出集电区、基区、发射区的所有结构， 适用于大规模生产。i b m 制备的器件结构中，注重频率特性，其增益特性是利用 多晶硅发射区的高掺杂来实现的。并且高掺杂的多晶硅具有良好的互连线性能。 目前，采用0 1 8 u m 工艺的3 0 0 h m 的s i g e 基片已经投产。图1 - 2 显示了i b m 的s i g eh b t 剖面图。 图i - 2i 蹦的s i g eh b t 剖面图 f i gl 一2i 蹦0 2 5 1 ms i g eh b tc r o s ss e c t i o n 北京工业大学工学硕士学位论文 i b m 的s i g eb i c m o s 工艺已经投入商业生产，其中s i g eh b t 技术性能指标达到 较好的水平，见表卜2 所示。 表l 一2 i b m 不同光刻工艺的s i g eh b t 的性能 t a b l e1 - 2 i b md i f f e r e n tk i n do f t e c h n o l o g i e ss i g eh b t sp e r f o r m a n c e 光刻工艺水平岫0 50 2 50 1 8 办 g h z2 8 4 52 8 4 5 3 0 1 2 0 g h z5 0 6 05 0 ，6 05 0 1 0 0 b v c v 5 5 3 35 5 3 _ 3 5 0 2 1 集成电路密度 l x1 1 5 x 1 5 2 x 发射极宽度 u m0 4 20 30 1 8 噪声系数 r 一，。 d bo 80 8o 4 国s i g eh b t 和集成电路的研究工作始于2 0 世纪9 0 年代初。主要研究机构 有清华大学、复旦大学、中国科学院半导体研究所、中科院微电子所和北京工业 大学等十余家单位，研究方向主要集中于s i g e 应变层的生长技术、微波s i g eh b t 器件制备、低噪声小信号放大、各种微波功率器件、电路。虽然已制备得到特征 频率，i 达到2 6 g h z 的s i g eh b t ，但其最高振荡频率矗仍较低，通常低于7 g h z ， 各种寄生参数对器件频率性能尤其是高频功率增益影响显著，有源器件、无源元 件和金属化引线层的衬底损耗严重，接触电阻较大导致较高的噪声水平，使得器 件难以投入实际生产和使用，至今尚未见到进入应用阶段的国产s i g eh b t 及其 集成电路产品的正式报道。 在低噪声器件和电路的研究方面，清华大学己报道工作频率8 g h z 、功率增益 9 d b 的s i g e 微波晶体管，在1 g h z t 作频率下得最小噪声系数为1 9 d b t 6 1 。 1 2 2s i g e 单片集成电路的研究现状 1 9 7 4 年，第一块微波单片集成电路由p l e s s e y 公司设计成功，用于x 波段 小信号的放大。高性能器件的开发是为了得到更高性能的电路、系统。随着s i g e h b t 的性能的逐步改进，对s i g ei c 的研发也一直在不停的进行。现在，多种 集成电路已经采用s i g eh b t 工艺制造，并且与其他的工艺相比，得到更高的性 能。下面列举了几个采用s i g eh b t 设计制备的电路。 图卜3 中列举了采用s i g e 工艺设计、制作的t d m a 功率放大器的例子”。 图1 3t d m a 功率放大器 f i g1 3t 眦ap o w e ra m p l i f i e r 与g a a s 工艺相比，s i g e1 1 1 艺具有更好的功率效率，并且输出功率与o a a s 工艺相近；并且s i g e 工艺具有低得多的生产成本、更高的集成密度。并且可以 与c m o s 工艺相兼容，特别适宜制作片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 表i - 3 显示了采用s i g e 和g a a s 器件制作的t d - i a 功率放大器的性能比较。 表卜3 采用s i g e 和g a a s 技术制作的t d h a 功率放大器的性能比较 t a b l el 一3 p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e np o w e ra m p l i f i e ru s e do ns i g ea n dg a a s 硅酗酾卜三苎 s i g eh b t ( i b m ) d b g a a s 工艺 d b 输出功率p 。 3 l3 2 增益 2 7 2 6 功率增益效率 5 3 5 0 除了上面功放电路外，还用s i g e 工艺制作了多种复杂的电路，如i b m 公司 设计的2 5 g h z 的频率合成器，图卜4 为该电路的版图【7 l 。 圈l 一42 ，5 g h z 频率合成器 f i g1 42 5 g h zs i g ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 北京工业大学工学碗士学位论文 图卜5 显示了第一个采用i b m 公司0 2 5 u ms i g eb i c m o s 工艺设计的p r m l 可读通道芯片( p r m lr e e dc h a n n e l ) ，芯片中含有1 ，2 0 0s i g eh b t ，m o s 管的数 量超过1 ，0 0 0 ，0 0 0 个。 圈卜5p r 虬可读避道芯片 f i gl 一5p r m lr e a dc h a n n e lb a s e do ns i g e m t s i g e 工艺可以明显改善射频电路的性能，降低电路的功耗、噪声。可以预 见，在光通信、微波通信、航空等领域，s i g e 技术将得到更加广泛的应用。 1 2 3 近年来s i g e 低噪声放大器集成电路的结构及性能 与s i 、g a a s 等相比，s i g eh b t 因为具有较高的高频、低噪声和小功耗等 特性，正得到广泛的应用。表l 一4 绘出了近年来采用s i g e 工艺设计的低噪声放 大器l n a ( l o w n o i s ea m p l i f i e r ) 的电路结构，及其主要的性能指标。可以看出， 采用s i g e 器件设计的低噪声放大器具有较好的增益、噪声特性。 表1 - 4s i g e 低噪声放大嚣的最近研究进展 t a b l e1 - 4r e c e n ta d y s n c eo f s i g el o w - n o i s ea r a p l i f i e r 文献频宰麓益腑孽( 棚片j = m 电路绪将工艺 g 氇 置 8 】 22 l1 8 5m c - - c o 如s 娟一 【9 】 21 4 l6舶c 罄i c 哪强s i t e i t 0 5l 了乞3 y s sc 馨c 城。曲s 婚e 1 1 】 i 92 i1 5m c 娶屺d es i i ；e 【1 2 】 2挝8 2 ，髓 晓s 娟b 1 3 1 z 4 5 1 5 92 8 6 ，珏 c i 枣c o d e s i g , e 1 4 】 1 81 71 3m c 譬屺- 曩c o d es i 6 e 第一苹堵论 1 3 基于绝缘型衬底s i g eh b t 器件 衬底材料的电阻率是影响s i g e 玎玎器件频率、噪声性能的主要因素之一。 对于普通s i 衬底，当电阻率低于2 0 f l c m 时，衬底的高频泄漏将使器件频率性 能下降达3 0 ，衬底电阻率低于t f l c m 时，使器件频率性能下降7 0 。 为避免衬底影响器件和电路的频率性能，本课题的器件及电路设计均采用 了基于绝缘型衬底的隔离工艺以阻隔容性负反馈通路，这是本课题的创新点。 高阻抗或绝缘型衬底具有良好的电学绝缘性能以完全避免上述劣化，同时具有 良好的抗辐照性能和散热性能，为提高s i g e 器件整体性能提供了基础，也为研 制高频s i g eh b t 及其i c 提高了基础。 与普通硅衬底相比，采用绝缘型衬底制备s i g eh b t 可以获得较高的基极 集电极击穿电压，较高的厄利电压和最大震荡频率。 采用绝缘型衬底的优点：可以减小由衬底引起的高频信号泄漏；其次，结 合s i 基能带工程技术和s o s s o i 衬底的优秀绝缘性能，可以设计s i g e 微波器 件、电路，使之具有更好的频率、噪声性能以及更广阔的应用范围。 1 4 本论文的主要工作 本课题得到北京市自然科学基金资助( 4 0 3 2 0 0 5 ) 资助。课题研究的主要内容 包括：基于高阻抗绝缘型衬底对s i g eh b t 进行结构及制备工艺的设计以得到 高频低噪声的s i g eh b t ；提取s i g eh b t 的参数以进行低噪声放大器的研究。 在本课题中，研究s i g eh b t 器件及其放大电路时做的工作有： 1 ，采用高阻抗或绝缘型衬底制备s i g eh b t ，国内末见报道； 2 ，采用基于高阻抗或绝缘型衬底的岛型大面积侧向深腐蚀隔离方法及其改 进方法实现高效能的器件、电路中交、直流之间的隔离； 3 ，采用掩埋金属自对准工艺来制备发射极和基极的引线孔，减小器件的尺 寸和降低器件的接触电阻【1 5 】： 4 ，采用外基区离子注入与红外快速退火减小基区串联电阻以提高器件的频 率、噪声特性； 5 ，基于低噪声放大电路的高频小信号模型，分析并给出了一种能够同时获 得放大电路的噪声匹配、功率匹配的设计方法。通过a g il e n t 公司的先进设计 系统软件a d s ( a d v a n c ed e s i g ns y s t e m ) 对s i g e 低噪声放大器电路的性能参数 北京工业大学工掌硕士学位论文 进行了验证。 6 ，最后给出了制备s i g e 低噪声放大器电路的工艺流程，设计了低噪声放 大器的版图。 1 5 本论文内容安排 论文共五个章节，在第一章中，介绍了采用绝缘型衬底来制备s i g eh b t 的 优点，s i 6 e 器件及其集成电路的发展现状，并给出了本课题的主要内容。 第二章叙述了微波s i g e t t b t 的基本原理，常用制备工艺和主要的设计结构； s i g eh b t 的结构设计，包括纵向、横向参数的设计考虑；设计了s i g eh b t 的 具体结构；最后给出了测量器件s p i c e 模型参数的方法，并用s i g eh b t 仿真软 件( b e b ) 得到电路设计所用的主要模型参数。 第三章讨论了电路中无源元件的实现，给出了片上螺旋电感的模型，以及 优化片上电感的方法：并结合模型用m a t l a b 编写了一个计算电感的程序；最后 给出了电路中电阻的制备方法。 第四章是本文的重点，首先确定了课题所采用的电路结构，接着讨论了低 噪声电路的噪声优化、阻抗匹配的方法和具体的设计步骤；接着分析了影响电 路线性度的因素；最后给出了放大电路的仿真结果。 第五章给出了制备s i g e 低噪声放大器电路的工艺流程和最终版图。 结论部分，总结本论文的研究工作和需要完善的地方。 第二章微波s i g e 异质结晶体管 2 1s i g eh b t 的基本原理与性能分析 普通的s i 双极性晶体管的设计需要在多个互相竞争的机理间进行折衷考 虑。为了获得一个较小的基区传输时间，提高器件的截止频率，基区宽度应尽 可能窄，如方程( 2 1 ) 所示。 铲爰 p ，) 5 责 2 0 ) 然而，当基区较窄时，发射结和收集结的耗尽层交叠在一起，发生基区穿 通，从而限制了基区最小的宽度。可以通过提高基区掺杂浓度来获得薄的基区 侧的耗尽层。可以在不发生夹断效应的条件下，得到较窄的基区。然而，增大 基区的掺杂浓度会降低增益，如方程( 2 2 ) 所示。 卢2 糌( 2 - 2 ) 增益与基区渡越时闻之间的矛盾是限制传统s i 双极型晶体管的截止频率的 主要因素。实际上，普通s i 材料制备的双极型晶体管的截止频率般不超过几 十g h z 。 为了解决上述矛盾，上世纪八十年代，人们成功地研制成采用s l o e 作为基 区的双极性晶体管s i g eh b t 。 s i g e 材料比s i 的带隙要小，采用s i g e 材料作为双极型晶体管的基区使器 件的性能得到较大的提高，同时又能够与传统的s i 工艺兼容，降低制造成本。 s i g e h b t 利用能带工程提高了双极型晶体管设计的灵活性，可以在得到较高的 增益的同时，提高基区的掺杂浓度( 即减小基区宽度来提高截止频率i ，扣。当前， s i g e h b t s 可以得到3 5 0 g h z 的，r 和2 6 0 g h z 的二。【1 1 。 下面几小节讨论能带工程给s i g eh b t 器件设计带来的优点，通过比较 s i o e t t b t 和s ib j t 的设计方程说明s i g e 基区带来的优越性。 2 1 1 能带工程 s i g eh b t s 使用高掺杂的s i g e 薄层做内基区，发射区和集电区用s i 材料。 图( 2 1 ) 给出了s i g eh b t 和s ib j t 的能带比较图。 北京工业大学工学碗士学位论文 竺竺! ! 竺i 尼弋岛 一了= 二二二= = = ：每 旧k 卸 图2 - 1s i g e 髓t ( 实线) 和s ib j t ( 虚线) 的能带比较图 f i g2 - ic o m p a r i s o no ft h eb a n dd i a g r a m so fas i g eh b ta n das ib i p o l a rt r a n s i s t o r s i g e 和s i 之间的应变带隙差主要体现在价带顶。图2 - 1 显示，发射极到基 极的电子势垒高度为e b ( 日p 导带势垒) ，s i g ch b t 的历较s ib j t 的小得多，因 此，在给定基极一发射极电压的条件下，s i g eh b t s 的集电极电流比s ib j t 的大。 基极到发射极的空穴势垒高度( 即价带势垒) 在s i g eh b t s 和s ib j t 中近似相等， 所以两种器件中的基极电流近似相等。s i g ch b t s 和s ib j t 的g u m m e l 曲线的 比较，如图2 2 所示。 盖 4 毒 唯| i s 酬v j m ( s oy k 图2 - 2s i g eh b t s 和s ib j t 的g a m m e i 图形的比较 f i g2 - 2 c o m p a r i s o no fg u m m e lp l o to fas i g e 髓ta n ds ib i t 从图2 2 中可看到，s i g eh b t 的电流增益较s ib j t 的大得多，这是通过集 电极电流的增大得到的。应用s i g ei - i b t 进行设计电路时，电路通常工作于一 定的直流电流下。在一定工作电流下，s i g eh b t 与s ib j t 相比具有较低的基 极一发射极电压e 。在电路设计中，s i g e i - i b t 较低的是非常有利的，由此 可以降低电路的功耗，同时与c m o s 、h i - v 族电路相比，容易实现低压电路的 设计。 2 1 2 集电极电流、基极电流和增益的改善 在s i g eh b t 中，能带的受化主要发生在价带，导带的燹化较小，所以司用 s i b j t 的公式直接计算s i o e h b t 的集电极电流得s i g e h b t 的集电极电流【删： 如：华鹾磐e x l 3 监 - 5 k t ，r = 4 i2l 。 w b n “ 、。 式中假定s i g e 和s i 的n , h 相同。 s i g e 的本征载流子浓度可以写作： ( 吃。啸唧鲁 潴 p 。， 将方程( 2 4 ) 带入( 2 3 ) 得到， k 矿管唧鲁唧警 潴唧鲁l p s ， 式( 2 5 ) 中方括号外的项代表s ib j t 的集电极电流，方括号里面的项定义为 s i g e i - i b t 的矫正因子。 上节提到，s i g eh b t 的基极电流与s ib j t 的基极电流近似相等，因此， s i g eh b t 得到的电流增益提高可以近似表示1 4 4 1 鲁= 惴券唧堡k t p s ， p t n c n y d 1 m i、 2 1 3 截止频率 s i g eh b t 的截止频率的表达式同s ib j t 的相同，如方程( 2 7 ) 所示1 4 4 1 矗22x(rv+rccac二+kt(cse+cac)、1qlc) ( 2 7 ) 令s i g eh b t 的基区渡越时间为功。对于基区均匀掺杂、g e 组分在基区均 匀的s i g e h b t ，得到 = 盘姒 跣 陋s ， 式( 2 8 ) 中的方括号中的值约为o 7 1 , - , o 8 3 。 q z 叫圭见。e x p 警( 2 - 9 ) 发射极延迟时间姐定义为l 州： 珞= 譬= 叫圭e x p 警亡 c z 舢， 因为s i g e h b t 的集电极电流比s i b j t 的大得多，方程( 2 1 0 ) 显示s i g e h b t 的发射极延时较s ib j t 的要小得多。将方程( 2 5 ) 代入( 2 l o ) c 9 ，得到 啊酬2 老一 p 1 1 ) 蔫硪翮 。1 ” 、：且型，盟( 2 - 1 2 ) 晰3 砖1 亍 2 1 4 s i g eh b t 设计的折衷考虑 普通的s i 器件相比可以德到较高的截止频率f r 和振荡频率二。然而，一个很 高基区的掺杂浓度来得到一个合理的增益。为了使得器件的办最大，基区的厚 度应当尽可链薄；为了使得器件的；。最大，基区电阻和集电极- 基极电容需要 。跞 ( 2 1 3 ) 采用自对准工艺可以使基区电阻和集电极基极电容最小。然而，仍然需要 在基区宽度和内基区电阻之间进行必要的这种考虑。为了使基区电阻最小，使 厶。最大，必须尽可能的提高基区的掺杂浓度。所以，为了同时最大化j ；。和疗， 基区必须保持尽可能的薄，而且掺杂浓度尽可能的高。 2 1 5 渐变g e 组分对s i g eh b t 性能的改善 为了得到更高的办，s i g eh b t 基区的设计采用g e 组分渐变掺杂，如图2 3 所示。 第二章徽渡s i g e 异质结晶体管 j 曩一| 1 1 墨皇 从图2 - 3 中可以看出，基极集电结处的带隙要比基极发射结处的要窄。梯 度主要发生在导带上，形成一个内建电场，加速电子从发射极到集电极的迁移， 使得基区渡越时间大大减小，从而得到更高的疗。 i 璺j2 3 渐燹g e 组分垂区的s i g el i s t s 的能带图 f i g2 - 3e n e r g yb a n dd i a g r a mf o rb o t has ib j ta n dag r a d e d b a s es i g eh b t 假定基区均匀掺杂，并且g e 组分从e b 结到b c 结渐变，那么渐变基区 s i g e h b t 的集电极电流方程如下1 ： 七= 舒唧鲁唧鲁错撩 、础 e x p ( a e g ( o ) k r ) ( 2 - 1 4 ) k t 1 - e x p ( 一钿础) 耵) 式中毛( 0 ) 、( 。) 分别表示由g e 组分在发射极和集电极引起的带隙变化， 础) = 毛( ) 一a e g ( 。) 表示g e 组分沿着基区的渐变。 渐变基区s i g eh b t s 的增益的提高蜘： 方程( 2 一1 5 ) 显示，器件的增益随g e 组分呈指数增长。 1 、g e 组分渐变对基区渡越时间的改善 渐变基区s i g eh b t 的基区渡越时间 ( 2 一1 5 ) 铲巩w _ l 屹k _ _ l i _ r 1 _ 彘( s i g eh b t 与s ib j t 的基区渡越时间之比 唧( 挚) ) p 旧 等= 若跣l 卜丧【e x p 垫k t | ( 2 r 忉 7 啪) 战( 删( ) 。l 战f 蛳) i 1 j j 、。 方程指出，对于有限的g e 组分渐变，该比值小于1 ，所以g e 组分沿着基区渐 变有利于提高管子的f t 。 2 、g e 组分渐变对发射极延迟时间的改善 渐变基区s i g eh 1 3 t s 的发射极延时 ，：j 生+ 6 2 蚵 s i g eh b t s 与s ib j t 的发射极延迟时间之比 e ( 瓣) 一 e ) 卜e x p 一峨( 础) k r ( c m d 岫) 触1 峨( 删) c n y d t 、s | ) k t e x p a e c ( 。) k r ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 方程( 2 1 9 ) 显示：r 酬酬( s r ) 随e 6 ( 。) 呈指数减小随。女) 呈线性减小。即 如果g e 组分在基极- 发射极处从零开始递增，会得到较大的k ( 鼢) o ( 目) ；因此 通常在基区中g e 组分为梯形分布来得到更小的z g ( 妇) ( 踟。 3 、g e 组分渐变对器件厄利( e a r l y ) 电压的改善 由于基区的掺杂浓度高，与s ib j t 相比，由p k 引起的基区宽度调制效应 大大减小，所以得到较高的厄利电压n 。因此，在设计放大器电路时，可以获 得一个较商的输出阻抗，得到高稳定度的电流源。 与传统的s i b j t 相比，s i g e h b t 的厄利电压吩以指数倍增长，如方程( 2 ，2 0 ) 所示 警mj 悬o , 竺( g r a d e = ) k t ) j l p z o ) 匕，。 【l 乓 、 第二覃徽拨s i g t 异质结晶体臀 2 2s i g ei - i