化合物半导体器件-第四章异质结双极型晶体管

1、化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院微电子学院戴显英戴显英2010.5化合物半导体器件化合物半导体器件第四章第四章 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 HBT的基本结构的基本结构 HBT的增益的增益 HBT的频率特性的频率特性 先进的先进的HBT 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.1 HBT的基本结构与特点的基本结构与特点HBT:HBT:HeterojunctiongHeterojunctiong Bipolar TransistorBipolar Tr

2、ansistor，异，异质结双极晶体管质结双极晶体管HBTHBT的能带结构特点：的能带结构特点： a.a.宽禁带的宽禁带的e e区：区： 利于提高利于提高； b.b.窄禁带的窄禁带的b b区：区： Eg Eg小于小于b b、c c区；区； c.pn c.pn结：结： 异质的异质的ebeb结；结； 同质或异质的同质或异质的cbcb结。结。HBTHBT的基本结构的基本结构图图4.1 npn HBT4.1 npn HBT结构的截面图结构的截面图 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.1 HBT的基本结构与特点的基本结构与特点HBTHBT的典型异质结构：的典型异质

3、结构：a.a.突变发射结；突变发射结；b.b.缓变发射结；缓变发射结；c.c.缓变发射结，缓变基区；缓变发射结，缓变基区；d.d.突变发射结，缓变基区。突变发射结，缓变基区。HBTHBT的特性：（与的特性：（与BJTBJT相比）相比）a.a.高注入比；高注入比；b.b.高发射效率；高发射效率；c.c.高电流增益；高电流增益；d.d.高频、高速度。高频、高速度。HBTHBT的典型结构图的典型结构图 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.2 突变发射结突变发射结HBT图图4.2 (a) 突变发射结突变发射结HBT的能带图图的能带图图器件特点：器件特点： 基区渡

4、越初始速度高基区渡越初始速度高基区输运模型：基区输运模型： 弹道式渡越弹道式渡越晶格散射的影响：晶格散射的影响：电流增益电流增益： 高的高的EcEc： 应小于基区导带的应小于基区导带的 能谷差能谷差E EL L-E-E 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.3 缓变（渐变）发射结缓变（渐变）发射结HBT图图4.2 (b) 渐变发射结渐变发射结HBT的能带图的能带图电流输运：电流输运：扩散模型扩散模型发射极电流：发射极电流：发射效率：发射效率：电流增益：电流增益：00expexpgEgBgEEBBEEENNNk TNk T化合物半导体器件化合物半导体器件 4

5、.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.3 缓变（渐变）发射结缓变（渐变）发射结HBT频率特性：频率特性：12 ()TEBCdf 12max12TCfff E E为发射结电容充放电时间；为发射结电容充放电时间； B B为渡越基区的时间；为渡越基区的时间； C C为集电结电容的充放电时间；为集电结电容的充放电时间； d d为集电结耗尽层渡越时间（信号延迟时间）。为集电结耗尽层渡越时间（信号延迟时间）。 小信号下影响小信号下影响f fT T的主要因素：的主要因素：化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.4 缓变发射结、缓变基区缓变发射结、缓变基区HBT缓变发射结

6、：缓变发射结：缓变基区：缓变基区：自建电场：自建电场：化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.3 缓变（渐变）缓变（渐变）HBT速度过冲；速度过冲；基区渡越时间；基区渡越时间；电流增益；电流增益；缓变基区的作用；缓变基区的作用；缓变基区的形成缓变基区的形成4.1.4 缓变发射结、缓变基区缓变发射结、缓变基区HBT化合物半导体器件化合物半导体器件 4.1 HBT的基本结构的基本结构4.1.5 突变发射结、缓变基区突变发射结、缓变基区HBT两个重要的影响因素：两个重要的影响因素：总的总的B B：EEC C和和EEgBgB要适中要适中：d d与与EEC C和和EE

7、gBgB的关系的关系 ：电流增益：电流增益：化合物半导体器件化合物半导体器件第四章第四章 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 HBT的基本结构的基本结构 HBT的增益的增益 HBT的频率特性的频率特性 先进的先进的HBT 化合物半导体器件化合物半导体器件4.2.1 理想理想HBT的增益的增益 4.2 HBT的增益的增益100expexpgEgBgEEBBEEENNNk TNk T00111111pEEBEEBBnEBEEBEBJD W pD W NJD W ND W n若若Eg=0.2eVEg=0.2eV，与相同掺杂，与相同掺杂(N(NE E/N/NB B相同）的相同）的BJTBJT相比，则

8、相比，则HBTHBT的的提高了提高了21912191倍倍共射极：共射极：化合物半导体器件化合物半导体器件4.2.2 考虑界面复合后考虑界面复合后HBT的增益的增益 4.2 HBT的增益的增益图图4.5 npn HBT4.5 npn HBT中的载流子输运示意图中的载流子输运示意图 1 1）界面态的影响：引起复合电流）界面态的影响：引起复合电流I Ir r2 2）发射极电流）发射极电流I Ie e：I Ie e=I=In n+I+Id d+I+Ip p4 4）收集极电流）收集极电流I Ic c：I Ic c=I=In n-I-Ir r3 3）基极电流）基极电流I Ib b：I Ib b=I=Ip

9、p+I+Id d+I+Ir r5 5）共射极增益：）共射极增益：=In/IdIn/Id6 6）复合电流的影响：）复合电流的影响：化合物半导体器件化合物半导体器件 4.2 HBT的增益的增益4.2.3 HBT增益与温度的关系增益与温度的关系图图4.7 不同温度下电流增益不同温度下电流增益(= IC/ IB ) 与集电极电流的关系与集电极电流的关系 化合物半导体器件化合物半导体器件第四章第四章 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 HBT的基本结构的基本结构 HBT的增益的增益 HBT的频率特性的频率特性 先进的先进的HBT 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.3 HBT的频率特性的频率特性4.

10、3.1 最大振荡频率最大振荡频率fmax 12max12TCfff12 ()TEBCdf 12CbefR C化合物半导体器件化合物半导体器件 4.3 HBT的频率特性的频率特性4.3.2 开关时间开关时间b b 22BbnWD例如，例如，AlGaAs/AsGaAlGaAs/AsGa开关开关晶体管的晶体管的b b ：比合金扩散结晶体管快比合金扩散结晶体管快5 5倍倍比比Si BJTSi BJT快快8 8倍。倍。减小减小b b的方法：组分渐变的基区（的方法：组分渐变的基区（=E )=E ) 缓变基区HBT能带 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.3 HBT的频率特性的频率特性4.3.3 宽带隙集

11、电区宽带隙集电区 图图4.9 双异质结的能带（发射区和双异质结的能带（发射区和集电区都采用宽带隙半导体）集电区都采用宽带隙半导体） 好处：好处：可阻止空穴从基区向集电区注入；可阻止空穴从基区向集电区注入；增大了击穿电压；增大了击穿电压；减小了漏电流。减小了漏电流。 化合物半导体器件化合物半导体器件第四章第四章 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 HBT的基本结构的基本结构 HBT的增益的增益 HBT的频率特性的频率特性 先进的先进的HBT 化合物半导体器件化合物半导体器件 4.4 先进的先进的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT1 1、SiGe HBTSiGe HBT的优点的优

12、点2 2、SiGe HBTSiGe HBT的结构特点的结构特点SiGe HBT的缓变发射结和缓变基区能带图n-p-n Si/SiGe/Si HBT的器件结构化合物半导体器件化合物半导体器件 4.4 先进的先进的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT图图 4.10 Si1-xGex的临界厚度与的临界厚度与Ge组分的关系组分的关系 3 3、应变、应变Si1-xGex Si1-xGex 材料的特性材料的特性应变应变Si1-xGexSi1-xGex带隙与组分的关系带隙与组分的关系化合物半导体器件化合物半导体器件 4.4 先进的先进的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT4 4、SiGe HBTSiGe HBT的电学特性的电学特性不同不同GeGe组分组分x x时，时，SiGe HBTSiGe HBT的的I IC C-V-VBEBESiGe HBTSiGe HBT和和Si BJTSi BJT的的I IC C、I IB B与与V VBEBE的关系的关系化合物半导体器件化合物半导体器件 4.4 先进的先进的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT5 5、SiGe HBTSiGe HBT的频率特性的频率特性SiGe HBTSiGe HBT与与Si BJTSi BJT的的f fT T与