1、化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Compound Semiconductor Devices微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2013.9化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件第四章第四章 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)HBTHBT的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： a.a.寬禁帶的寬禁帶的e e區(qū)：區(qū)： 利于提高利于提高； b b. .窄禁帶的窄禁帶的

2、b b區(qū)：區(qū)： EgEg小于小于b b、c c區(qū)；區(qū)； c.pnc.pn結(jié)：結(jié)： 異質(zhì)的異質(zhì)的ebeb結(jié)；結(jié)； 同質(zhì)或異質(zhì)的同質(zhì)或異質(zhì)的cbcb結(jié)。結(jié)。HBTHBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)圖圖4.1 npn4.1 npn HBT HBT結(jié)構(gòu)的截面圖結(jié)構(gòu)的截面圖 HBT:HBT:HeterojunctiongHeterojunctiong Bipolar TransistorBipolar Transistor， 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)HBTHBT的典型異質(zhì)結(jié)構(gòu)：的典型異質(zhì)

3、結(jié)構(gòu)：a.a.突變發(fā)射結(jié)；突變發(fā)射結(jié)；b.b.緩變發(fā)射結(jié)；緩變發(fā)射結(jié)；c.c.緩變發(fā)射結(jié)，緩變基區(qū)；緩變發(fā)射結(jié)，緩變基區(qū)；d.d.突變發(fā)射結(jié)，緩變基區(qū)。突變發(fā)射結(jié)，緩變基區(qū)。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(fā)射效率；高發(fā)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(jié)構(gòu)圖的典型結(jié)構(gòu)圖 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.2 突變發(fā)射結(jié)突變發(fā)射結(jié)HBT圖圖4.2 (a) 突變發(fā)射結(jié)突變發(fā)射結(jié)HBT的能帶圖圖的能帶圖圖器件特點(diǎn)：器件特點(diǎn)： 基區(qū)渡

4、越初始速度高基區(qū)渡越初始速度高基區(qū)輸運(yùn)模型：基區(qū)輸運(yùn)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(yīng)小于基區(qū)導(dǎo)帶的應(yīng)小于基區(qū)導(dǎo)帶的 能谷能谷差差E EL L-E-E 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.3 緩變（漸變）發(fā)射結(jié)緩變（漸變）發(fā)射結(jié)HBT圖圖4.2 (b) 漸變發(fā)射結(jié)漸變發(fā)射結(jié)HBT的能帶圖的能帶圖電流輸運(yùn)：電流輸運(yùn)：擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型發(fā)射極電流：發(fā)射極電流：發(fā)射效率：發(fā)射效率：電流增益：電流增益：00expexpgEgBgEEBBEEENNNk TNk T化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4

5、.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.3 緩變（漸變）發(fā)射結(jié)緩變（漸變）發(fā)射結(jié)HBT頻率特性：頻率特性：12 ()TEBCdf 12max12TCfff E E為發(fā)射結(jié)電容充放電時(shí)間；為發(fā)射結(jié)電容充放電時(shí)間； B B為渡越基區(qū)的時(shí)間；為渡越基區(qū)的時(shí)間； C C為集電結(jié)電容的充放電時(shí)間；為集電結(jié)電容的充放電時(shí)間； d d為集電結(jié)耗盡層渡越時(shí)間（信號(hào)延遲時(shí)間）。為集電結(jié)耗盡層渡越時(shí)間（信號(hào)延遲時(shí)間）。 小信號(hào)下影響小信號(hào)下影響f fT T的主要因素：的主要因素：化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.4 緩變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)緩變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)HBT緩變發(fā)射結(jié)

6、：緩變發(fā)射結(jié)：緩變基區(qū)：緩變基區(qū)：自建電場(chǎng)：自建電場(chǎng)：化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.3 緩變（漸變）緩變（漸變）HBT速度過沖；速度過沖；基區(qū)渡越時(shí)間；基區(qū)渡越時(shí)間；電流增益；電流增益；緩變基區(qū)的作用；緩變基區(qū)的作用；緩變基區(qū)的形成緩變基區(qū)的形成4.1.4 緩變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)緩變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)HBT化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.1 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)4.1.5 突變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)突變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)HBT兩個(gè)重要的影響因素：兩個(gè)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(guān)系的關(guān)系 ：電流增益：電流增益：化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件第四章第四章 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)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(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件4.2.2 考慮界面復(fù)合后考慮界面復(fù)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(yùn)示意圖中的載流子輸運(yùn)示意圖 1 1）發(fā)射結(jié)界面態(tài)的影響：引起復(fù)合電流）發(fā)射結(jié)界面態(tài)的影響：引起復(fù)合電流I Ir r（在基區(qū)）（在基區(qū)）2 2）發(fā)射極電流）發(fā)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(fù)合電流的影響：）復(fù)合電流的影響：化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.2 HBT的增益的增益4.2.3 HBT增益與溫度的關(guān)系增益與溫度的關(guān)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(guān)系與集電極電流的關(guān)系 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件第四章第四章 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT 化合

10、物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)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(fā)射極電流增益為：共發(fā)射極電流增益為1 1（0dB)0dB)時(shí)時(shí) 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(shí)的頻率。輸出功率）時(shí)的頻率?；衔锇雽?dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.3

11、 HBT的頻率特性的頻率特性4.3.2 開關(guān)時(shí)間開關(guān)時(shí)間b b 22BbnWD例如，例如，AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs開關(guān)晶體開關(guān)晶體管的管的b b ：比合金擴(kuò)散結(jié)晶體管快比合金擴(kuò)散結(jié)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(qū)（的方法：組分漸變的基區(qū)（=E )E ) 緩變基區(qū)HBT能帶 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)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(qū)寬帶隙集電區(qū) 圖圖4.9 雙異質(zhì)結(jié)的能帶（發(fā)射區(qū)和雙異質(zhì)結(jié)的能帶（發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都采用寬帶隙半導(dǎo)體）集電區(qū)都采用寬帶隙半導(dǎo)體） 好處：好處：可阻止

12、空穴從基區(qū)向集電區(qū)注入；可阻止空穴從基區(qū)向集電區(qū)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(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件第四章第四章 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) HBT的增益的增益 HBT的頻率特性的頻率特性 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.4 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT1 1、SiGeSiGe HBT HBT的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)2 2、SiGeSiGe HBT HBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)SiGe HBT的緩變發(fā)射結(jié)和緩變基區(qū)能帶圖n-p-n Si/SiGe/Si HBT的器

13、件結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.4 先進(jìn)的先進(jìn)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(guān)系組分的關(guān)系 3 3、應(yīng)變、應(yīng)變Si1-xGex Si1-xGex 材料的特性材料的特性應(yīng)變應(yīng)變Si1-xGexSi1-xGex帶隙與組分的關(guān)系帶隙與組分的關(guān)系化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.4 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT4.4.1 硅基硅基HBT-SiGe HBT4 4、SiGeSiGe HBT HBT的電學(xué)特性的電學(xué)特性不同不同GeGe組分組分x x時(shí)，時(shí)，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(guān)系的關(guān)系化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.4 先進(jìn)的先進(jìn)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(guān)系電流關(guān)系化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 4.4 先進(jìn)的先進(jìn)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(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：晶格常數(shù)接近；晶格常數(shù)接近；即可突變結(jié)，也可緩變結(jié)。即可突變結(jié)，也可緩變結(jié)。2 2、InPInP系：系：InGaAs/InPInGaAs/InP HBT HBT優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：更高的電子速度；更高的電子速度