第四章异质结双极型晶体管

化合物半导体器件化合物半导体器件CompoundSemiconductorDevices微电子学院戴显英2013.9化合物半导体器件第四章异质结双极型晶体管•HBT的基本结构•HBT的增益•HBT的频率特性•先进的HBT化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.1HBT的基本结构与特点②HBT的能带结构特点：a.宽禁带的e区：利于提高γ；b.窄禁带的b区：Eg小于b、c区；c.pn结：异质的eb结；同质或异质的cb结。③HBT的基本结构图4.1npnHBT结构的截面图①HBT:HeterojunctiongBipolarTransistor，异质结双极晶体管化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.1HBT的基本结构与特点④HBT的典型异质结构：a.突变发射结；b.缓变发射结；c.缓变发射结，缓变基区；d.突变发射结，缓变基区。⑤HBT的特性：（与BJT相比）a.高注入比；b.高发射效率；c.高电流增益；d.高频、高速度。HBT的典型结构图化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.2突变发射结HBT图4.2(a)突变发射结HBT的能带图图①器件特点：基区渡越初始速度高②基区输运模型：弹道式渡越③晶格散射的影响：④电流增益β：高的β⑤ΔEc：应小于基区导带的能谷差EL-EΓ化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.3缓变（渐变）发射结HBT图4.2(b)渐变发射结HBT的能带图①电流输运：扩散模型②发射极电流：③发射效率：④电流增益：00expexpgEgBgEEBBEEENNNkTNkT化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.3缓变（渐变）发射结HBT⑤频率特性：12()TEBCdf12max12TCfff•τE为发射结电容充放电时间；•τB为渡越基区的时间；•τC为集电结电容的充放电时间；•τd为集电结耗尽层渡越时间（信号延迟时间）。小信号下影响fT的主要因素：化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.4缓变发射结、缓变基区HBT①缓变发射结：②缓变基区：③自建电场：化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.3缓变（渐变）HBT④速度过冲；⑤基区渡越时间；⑥电流增益；⑦缓变基区的作用；⑧缓变基区的形成4.1.4缓变发射结、缓变基区HBT化合物半导体器件4.1HBT的基本结构4.1.5突变发射结、缓变基区HBT①两个重要的影响因素：②总的τB：③ΔEC和ΔEgB要适中：④νd与ΔEC和ΔEgB的关系：⑤电流增益：化合物半导体器件第四章异质结双极型晶体管•HBT的基本结构•HBT的增益•HBT的频率特性•先进的HBT化合物半导体器件4.2.1理想HBT的增益4.2HBT的增益100expexpgEgBgEEBBEEENNNkTNkT00111111pEEBEEBBnEBEEBEBJDWpDWNJDWNDWn若ΔEg=0.2eV，与相同掺杂(NE/NB相同）的BJT相比，则HBT的β提高了2191倍共射极：化合物半导体器件4.2.2考虑界面复合后HBT的增益4.2HBT的增益图4.5npnHBT中的载流子输运示意图1）发射结界面态的影响：引起复合电流Ir（在基区）2）发射极电流Ie：Ie=In+Id+Ip4）收集极电流Ic：Ic=In-Ir3）基极电流Ib：Ib=Ip+Id+Ir5）共射极增益：β=γ/1-γ≈In/Id6）复合电流的影响：化合物半导体器件4.2HBT的增益4.2.3HBT增益与温度的关系图4.7不同温度下SiGeHBT电流增益(β=IC/IB)与集电极电流的关系化合物半导体器件第四章异质结双极型晶体管•HBT的基本结构•HBT的增益•HBT的频率特性•先进的HBT化合物半导体器件4.3HBT的频率特性4.3.1最大振荡频率fmax12()TEBCdf12CbefRC截止频率（特征频率）fT：共发射极电流增益为1（0dB)时的频率1212max128TTCbcffffRC最大振荡频率fman：晶体管具有功率放大作用的极限频率，即晶体管功率增益下降为1（输出功率=输出功率）时的频率。化合物半导体器件4.3HBT的频率特性4.3.2开关时间τb22BbnWD例如，AlGaAs/GaAs开关晶体管的τb：①比合金扩散结晶体管快5倍②比SiBJT快8倍。减小τb的方法：组分渐变的基区（ν=μE)缓变基区HBT能带化合物半导体器件4.3HBT的频率特性4.3.3宽带隙集电区图4.9双异质结的能带（发射区和集电区都采用宽带隙半导体）好处：①可阻止空穴从基区向集电区注入；②增大了击穿电压；③减小了漏电流。化合物半导体器件第四章异质结双极型晶体管•HBT的基本结构•HBT的增益•HBT的频率特性•先进的HBT化合物半导体器件4.4先进的HBT4.4.1硅基HBT-SiGeHBT1、SiGeHBT的优点2、SiGeHBT的结构特点SiGeHBT的缓变发射结和缓变基区能带图n-p-nSi/SiGe/SiHBT的器件结构化合物半导体器件4.4先进的HBT4.4.1硅基HBT-SiGeHBT图4.10Si1-xGex的临界厚度与Ge组分的关系3、应变Si1-xGex材料的特性应变Si1-xGex带隙与组分的关系化合物半导体器件4.4先进的HBT4.4.1硅基HBT-SiGeHBT4、SiGeHBT的电学特性不同Ge组分x时，SiGeHBT的IC-VBESiGeHBT和SiBJT的IC、IB与VBE的关系化合物半导体器件4.4先进的HBT4.4.1硅基HBT-SiGeHBT5、SiGeHBT的频率特性SiGeHBT与SiBJT的fT与Ic电流关系化合物半导体器件4.4先进的HBT4.4.2Ⅲ-Ⅴ族化合物基HBT1、GaAs系：AlGaAs/GaAsHBT优点：①晶格常数接近；②即可突变结，也可缓变结。2、InP系：InGaAs/InPHBT优点：①更高的电子速度；②较低的发射极-基极开启电压：适于高速、低功耗电路；③较好的噪声特性。3、InAs系：AlInAs/InGaAsHBT优点：①较低的表面复合；②μn较GaAs系高得多；③击穿电压较GaAs系高；④集电极比GaAs系具有更高的漂移速率。