1、化合物半導體器件化合物半導體器件化合物半導體器件化合物半導體器件Compound Semiconductor Devices微電子學院微電子學院戴顯英戴顯英2013.9化合物半導體器件化合物半導體器件第四章第四章 異質結雙極型晶體管異質結雙極型晶體管 HBT的基本結構的基本結構 HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進的先進的HBT 化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.1 HBT的基本結構與特點的基本結構與特點HBTHBT的能帶結構特點：的能帶結構特點： a.a.寬禁帶的寬禁帶的e e區：區： 利于提高利于提高； b b. .窄禁帶的窄禁帶的

2、b b區：區： EgEg小于小于b b、c c區；區； c.pnc.pn結：結： 異質的異質的ebeb結；結； 同質或異質的同質或異質的cbcb結。結。HBTHBT的基本結構的基本結構圖圖4.1 npn4.1 npn HBT HBT結構的截面圖結構的截面圖 HBT:HBT:HeterojunctiongHeterojunctiong Bipolar TransistorBipolar Transistor， 異質結雙極晶體管異質結雙極晶體管化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.1 HBT的基本結構與特點的基本結構與特點HBTHBT的典型異質結構：的典型異質

3、結構：a.a.突變發射結；突變發射結；b.b.緩變發射結；緩變發射結；c.c.緩變發射結，緩變基區；緩變發射結，緩變基區；d.d.突變發射結，緩變基區。突變發射結，緩變基區。HBTHBT的特性：（與的特性：（與BJTBJT相比）相比）a.a.高注入比；高注入比；b.b.高發射效率；高發射效率；c.c.高電流增益；高電流增益；d.d.高頻、高速度。高頻、高速度。HBTHBT的典型結構圖的典型結構圖 化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.2 突變發射結突變發射結HBT圖圖4.2 (a) 突變發射結突變發射結HBT的能帶圖圖的能帶圖圖器件特點：器件特點： 基區渡

4、越初始速度高基區渡越初始速度高基區輸運模型：基區輸運模型： 彈道式渡越彈道式渡越晶格散射的影響：晶格散射的影響：電流增益電流增益： 高的高的EcEc： 應小于基區導帶的應小于基區導帶的 能谷能谷差差E EL L-E-E 化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.3 緩變（漸變）發射結緩變（漸變）發射結HBT圖圖4.2 (b) 漸變發射結漸變發射結HBT的能帶圖的能帶圖電流輸運：電流輸運：擴散模型擴散模型發射極電流：發射極電流：發射效率：發射效率：電流增益：電流增益：00expexpgEgBgEEBBEEENNNk TNk T化合物半導體器件化合物半導體器件 4

5、.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.3 緩變（漸變）發射結緩變（漸變）發射結HBT頻率特性：頻率特性：12 ()TEBCdf 12max12TCfff E E為發射結電容充放電時間；為發射結電容充放電時間； B B為渡越基區的時間；為渡越基區的時間； C C為集電結電容的充放電時間；為集電結電容的充放電時間； d d為集電結耗盡層渡越時間（信號延遲時間）。為集電結耗盡層渡越時間（信號延遲時間）。 小信號下影響小信號下影響f fT T的主要因素：的主要因素：化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.4 緩變發射結、緩變基區緩變發射結、緩變基區HBT緩變發射結

6、：緩變發射結：緩變基區：緩變基區：自建電場：自建電場：化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.3 緩變（漸變）緩變（漸變）HBT速度過沖；速度過沖；基區渡越時間；基區渡越時間；電流增益；電流增益；緩變基區的作用；緩變基區的作用；緩變基區的形成緩變基區的形成4.1.4 緩變發射結、緩變基區緩變發射結、緩變基區HBT化合物半導體器件化合物半導體器件 4.1 HBT的基本結構的基本結構4.1.5 突變發射結、緩變基區突變發射結、緩變基區HBT兩個重要的影響因素：兩個重要的影響因素：總的總的B B：EEC C和和EEgBgB要適中要適中：d d與與EEC C和和EE

7、gBgB的關系的關系 ：電流增益：電流增益：化合物半導體器件化合物半導體器件第四章第四章 異質結雙極型晶體管異質結雙極型晶體管 HBT的基本結構的基本結構 HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進的先進的HBT 化合物半導體器件化合物半導體器件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EgEg=0.2eV=0.2eV，與相同摻雜，與相同摻雜(N(NE E/N/NB B相同）的相同）的BJTBJT相比，則

8、相比，則HBTHBT的的提高了提高了21912191倍倍共射極：共射極：化合物半導體器件化合物半導體器件4.2.2 考慮界面復合后考慮界面復合后HBT的增益的增益 4.2 HBT的增益的增益圖圖4.5 npn4.5 npn HBT HBT中的載流子輸運示意圖中的載流子輸運示意圖 1 1）發射結界面態的影響：引起復合電流）發射結界面態的影響：引起復合電流I Ir r（在基區）（在基區）2 2）發射極電流）發射極電流I Ie e：I Ie e=I=In n+I+Id d+I+Ip p4 4）收集極電流）收集極電流I Ic c：I Ic c=I=In n-I-Ir r3 3）基極電流）基極電流I I

9、b b：I Ib b=I=Ip p+I+Id d+I+Ir r5 5）共射極增益：）共射極增益：=/1-=/1-I In n/I/Id d6 6）復合電流的影響：）復合電流的影響：化合物半導體器件化合物半導體器件 4.2 HBT的增益的增益4.2.3 HBT增益與溫度的關系增益與溫度的關系圖圖4.7 不同溫度下不同溫度下SiGe HBT電流增益電流增益(= IC/ IB ) 與集電極電流的關系與集電極電流的關系 化合物半導體器件化合物半導體器件第四章第四章 異質結雙極型晶體管異質結雙極型晶體管 HBT的基本結構的基本結構 HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進的先進的HBT 化合

10、物半導體器件化合物半導體器件 4.3 HBT的頻率特性的頻率特性4.3.1 最大振蕩頻率最大振蕩頻率fmax 12 ()TEBCdf 12CbefR C截止頻率（特征頻率）截止頻率（特征頻率）f fT T：共發射極電流增益為：共發射極電流增益為1 1（0dB)0dB)時時 的頻率的頻率1212max128TTCbcffffR C最大振蕩頻率最大振蕩頻率f fmanman：晶體管具有功率放大作用的極限頻率，：晶體管具有功率放大作用的極限頻率，即晶體管功率增益下降為即晶體管功率增益下降為1 1（輸出功率（輸出功率= =輸出功率）時的頻率。輸出功率）時的頻率?；衔锇雽w器件化合物半導體器件 4.3

11、 HBT的頻率特性的頻率特性4.3.2 開關時間開關時間b b 22BbnWD例如，例如，AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs開關晶體開關晶體管的管的b b ：比合金擴散結晶體管快比合金擴散結晶體管快5 5倍倍比比SiSi BJT BJT快快8 8倍。倍。減小減小b b的方法：組分漸變的基區（的方法：組分漸變的基區（=E )E ) 緩變基區HBT能帶 化合物半導體器件化合物半導體器件 4.3 HBT的頻率特性的頻率特性4.3.3 寬帶隙集電區寬帶隙集電區 圖圖4.9 雙異質結的能帶（發射區和雙異質結的能帶（發射區和集電區都采用寬帶隙半導體）集電區都采用寬帶隙半導體） 好處：好處：可阻止

12、空穴從基區向集電區注入；可阻止空穴從基區向集電區注入；增大了擊穿電壓；增大了擊穿電壓；減小了漏電流。減小了漏電流。 化合物半導體器件化合物半導體器件第四章第四章 異質結雙極型晶體管異質結雙極型晶體管 HBT的基本結構的基本結構 HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進的先進的HBT 化合物半導體器件化合物半導體器件 4.4 先進的先進的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT1 1、SiGeSiGe HBT HBT的優點的優點2 2、SiGeSiGe HBT HBT的結構特點的結構特點SiGe HBT的緩變發射結和緩變基區能帶圖n-p-n Si/SiGe/Si HBT的器

13、件結構化合物半導體器件化合物半導體器件 4.4 先進的先進的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT圖圖 4.10 Si1-xGex的臨界厚度與的臨界厚度與Ge組分的關系組分的關系 3 3、應變、應變Si1-xGex Si1-xGex 材料的特性材料的特性應變應變Si1-xGexSi1-xGex帶隙與組分的關系帶隙與組分的關系化合物半導體器件化合物半導體器件 4.4 先進的先進的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT4 4、SiGeSiGe HBT HBT的電學特性的電學特性不同不同GeGe組分組分x x時，時，SiGeSiGe HBT HBT的的I IC C-V-VBE

14、BESiGeSiGe HBT HBT和和Si BJTSi BJT的的I IC C、I IB B與與V VBEBE的關系的關系化合物半導體器件化合物半導體器件 4.4 先進的先進的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT5 5、SiGeSiGe HBT HBT的頻率特性的頻率特性SiGeSiGe HBT HBT與與Si BJTSi BJT的的f fT T與與I Ic c電流關系電流關系化合物半導體器件化合物半導體器件 4.4 先進的先進的HBT4.4.2 -族化合物族化合物基基HBT1 1、GaAsGaAs系：系：AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs HBT HBT優點：優點：晶格常數接近；晶格常數接近；即可突變結，也可緩變結。即可突變結，也可緩變結。2 2、InPInP系：系：InGaAs/InPInGaAs/InP HBT HBT優點：優點：更高的電子速度；更高的電子速度