第

5

章半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件由兩種不同材料所構(gòu)成的結(jié)就是異質(zhì)結(jié)。如果這兩種材料都是半導(dǎo)體，則稱為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)；如果這兩種材料是金屬和半導(dǎo)體，則稱為金屬-半導(dǎo)體接觸，這包括Schottky結(jié)和歐姆接觸。

材料1材料25.1金屬-半導(dǎo)體接觸5.1.1肖特基勢壘1、功函數(shù)2、電子親和能3、接觸電勢差VD外加偏壓下的金半接觸能帶圖設(shè)勢壘區(qū)是耗盡層（耗盡層近似），施主雜質(zhì)濃度為ND，勢壘厚度是d0，可得一維泊松方程：類似于PN結(jié)，得：下圖為鎢-硅和鎢-砷化鎵二極管的1/C2與外加反向電壓的關(guān)系。由該圖可得出摻雜濃度、內(nèi)建電勢及金半接觸的勢壘高度表面態(tài)密度很高的N型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖由于半導(dǎo)體表面往往存在大量界面態(tài)，在兩者接觸以前，半導(dǎo)體表面就存在表面電荷和表面勢壘，兩者接觸半導(dǎo)體表面和金屬表面上的正負(fù)電荷增加，但半導(dǎo)體勢壘中空間電荷基本保持不變。勢壘高度取決于半導(dǎo)體表面的狀況，與金屬功函數(shù)大小與關(guān)5.1.2金半接觸肖特基結(jié)的伏安特性物理概念：1、肖特基結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，2、二極管理論與擴(kuò)散理論如下為二極管理論的推導(dǎo)：能量從E到E+dE的電子濃度可表示為采用經(jīng)典近似，假定電子的能量為動(dòng)能，其運(yùn)動(dòng)速度為v，可以寫出：假定電子從半導(dǎo)體垂直穿越界面勢壘到金屬的方向?yàn)閤，則從半導(dǎo)體到金屬的電子電流密度為其中，能夠穿越勢壘的電子能量

代入可得總的電子電流為：里查遜（Richardson）常數(shù)5.1.3鏡像力與隧道效應(yīng)的影響1、鏡像力降低勢壘高度2.隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)的效果等效于勢壘高度下降隧道效應(yīng)使反向飽和電流密度隨反向偏壓的二分之一次方指數(shù)增加，比鏡像力引起的反向飽和電流密度隨反向偏壓的四分之一次方指數(shù)增加更加劇烈。采用簡化分析方法，即存在一個(gè)勢壘臨界厚度xc，勢壘厚度大于xc時(shí)勢壘完全不透明，電子不能穿過，勢壘厚度小于xc時(shí)勢壘完全透明，電子可以直接通過。因而勢壘高度降低量為-qV(xc)。5.1.4歐姆接觸與少子注入歐姆接觸是一種金半非整流接觸，它不會(huì)添加較大的寄生阻抗，且不足以改變半導(dǎo)體內(nèi)的平衡載流子密度使器件特性受到影響。。歐姆接觸的基本參數(shù)是接觸電阻率（比接觸電阻），其定義為零偏壓下電流密度對(duì)電壓降的偏微分的倒數(shù)，其單位是Ω·cm2。對(duì)于二極管理論的電子熱發(fā)射電流，其接觸電阻率對(duì)于隧道效應(yīng)產(chǎn)生的場發(fā)射電流可見，歐姆接觸電阻主要取決于半導(dǎo)體摻雜濃度和金半接觸勢壘高度，隨著

的增大指數(shù)下降。實(shí)際工藝中通常采用半導(dǎo)體表面高摻雜、簡并化來實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，此時(shí)金半接觸的勢壘極薄，載流子可以隧穿通過。少數(shù)載流子電流：空穴從金屬注入半導(dǎo)體，實(shí)際上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂附近的電子流向金屬中費(fèi)米能級(jí)以下的空狀態(tài)而在價(jià)帶頂部形成空穴。注入空穴形成的少數(shù)載流子電流與總正向電流之比叫做注入比。常規(guī)參數(shù)的注入比為10-4，肖特基勢壘二極管被稱為多子器件。5.1.5金半接觸肖特基二極管結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上增加P+保護(hù)環(huán)來改善金半接觸邊緣處電場強(qiáng)度大，鏡像力導(dǎo)致反偏電流大的問題，結(jié)勢壘控制肖特基二極管JBS二極管是在普通SBD器件的漂移區(qū)增加PN結(jié)構(gòu)成，用于屏蔽肖特基整流器的勢壘降低效應(yīng)，以達(dá)到高導(dǎo)通電流、低導(dǎo)通壓降、高耐壓和低漏電流的特性，同時(shí)保持有較好的開關(guān)特性。不同反向偏壓VR下SBD與JBS垂直于界面的電場分布肖特基嵌位晶體管—SBD無電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，可減小晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間，一次金屬化同時(shí)制成肖特基接觸和歐姆接觸。晶格匹配突變異質(zhì)結(jié)；當(dāng)兩種半導(dǎo)體的晶格常數(shù)近似相等時(shí)，即可認(rèn)為構(gòu)成了第一種異質(zhì)結(jié)，這里所產(chǎn)生的界面能級(jí)很少，可以忽略不計(jì)。晶格不匹配異質(zhì)結(jié)；當(dāng)晶格常數(shù)不等的兩種半導(dǎo)體構(gòu)成異質(zhì)結(jié)時(shí)，可以認(rèn)為在晶格失配所產(chǎn)生的附加能級(jí)均集中在界面上，而形成所謂界面態(tài)，這就是第二種異質(zhì)結(jié)。合金界面異質(zhì)結(jié)。第三種異質(zhì)結(jié)的界面認(rèn)為是具有一點(diǎn)寬度的合金層，則界面的禁帶寬度將緩慢變化，這時(shí)界面能級(jí)的影響也可以忽略。

5.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)兩種不同半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的結(jié)就是異質(zhì)結(jié)，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)可根據(jù)界面情況分成三種：5.2.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶突變

異質(zhì)結(jié)的兩邊是不同的半導(dǎo)體材料，則禁帶寬度不同，從而在異質(zhì)結(jié)處就存在有導(dǎo)帶的突變量△EC和價(jià)帶的突變量△EV。不考慮界面處的能帶彎曲作用時(shí)的幾種典型的能帶突變形式

兩種材料禁帶交叉的情況△Ec=EC1-EC2＞0△Ev=EV2-EV1＞0,△EG=EG1-EG2=△EC+△EV；兩種材料禁帶錯(cuò)開的情況△EC＜0△EV＞0△EG=EG1-EG2=△EC+△EV；

禁帶沒有交接部分的情況△EC＜0△EV＞0△EG=EG1-EG2=△EC+△EV。能帶突變的應(yīng)用例子：（a）產(chǎn)生熱電子（b）使電子發(fā)生反射的勢壘（c）提供一定厚度和高度的勢壘（d）造成一點(diǎn)深度和寬度的勢阱。(a)(b)(c)(d)不考慮界面態(tài)時(shí)，突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖。突變異質(zhì)結(jié)是指從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生在幾個(gè)原子距離范圍內(nèi)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。

在未形成異質(zhì)結(jié)前，p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)與n型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)不在同一水平當(dāng)緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，電子將從n型半導(dǎo)體流向p型半導(dǎo)體，同時(shí)空穴在于電子相反的方向流動(dòng)，直至兩塊半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)處于同一能級(jí)，形成異質(zhì)結(jié)。兩塊半導(dǎo)體材料交界處形成空間電荷區(qū)（即勢壘區(qū)或耗盡層），n型半導(dǎo)體為正空間電荷區(qū)，p型半導(dǎo)體一邊為負(fù)空間電荷區(qū)，因不考慮界面態(tài)，勢壘區(qū)中正空間電荷數(shù)等于負(fù)空間電荷數(shù)。

能帶發(fā)生了彎曲。n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)膹澢繛閝VD2，而導(dǎo)帶底在交界面處形成一向上的“尖峰”。P型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)膹澢繛閝VD1，而導(dǎo)帶底在交界面處形成一向下的“凹口”；能帶在交界面處不連續(xù)，有一個(gè)突變。兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底在交界面處的突變量為價(jià)帶頂?shù)耐蛔兞繛橛纱擞袃煞N半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)后，其內(nèi)建電勢為：運(yùn)用同質(zhì)結(jié)一樣的耗盡層近似，可以得出內(nèi)建電勢在P型區(qū)和N型區(qū)中的分量：在反向偏壓或小正向偏壓（V<Vbi）情形，P型區(qū)和N型區(qū)中的耗盡層寬度公司與同質(zhì)結(jié)相同，分別是耗盡層電容對(duì)突變同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖分析，下左圖為n型的兩種不同半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)之前的平衡能帶圖，右圖為形成異質(zhì)結(jié)之后的平衡能帶圖。當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于禁帶寬度大的n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比禁帶寬度小的高，所以電子將從前者向后者流動(dòng)，在禁帶寬度小的n型半導(dǎo)體一邊形成電子積累層，另一邊形成耗盡層。同理，可得突變同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖

5.2.2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)伏安特性

PN同質(zhì)結(jié)的正向電流均以擴(kuò)散電流為主，伏安特性表達(dá)式為：在P-N異質(zhì)結(jié)中既有電子勢壘又有電子勢阱，但當(dāng)勢壘高度和勢阱深度不相同時(shí)，異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電機(jī)制也有所不同，所以把這種異質(zhì)結(jié)分為負(fù)反向勢壘和正反向勢壘。不同能帶形式不同的傳輸機(jī)理不同伏安特性-qVn+qVnqVDpEF+qVBEF負(fù)反向勢壘P-N異質(zhì)結(jié)——低勢壘尖峰異質(zhì)結(jié)，是勢壘尖峰頂?shù)陀赑區(qū)導(dǎo)帶底的異質(zhì)結(jié)。N區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子流通過發(fā)射機(jī)制越過尖峰勢壘進(jìn)入P區(qū)，此類異質(zhì)結(jié)的電子流主要由擴(kuò)散機(jī)制決定。

正反向勢壘PN異質(zhì)結(jié)——高勢壘尖峰異質(zhì)結(jié)，是勢壘尖峰頂高于P區(qū)導(dǎo)帶底的異質(zhì)結(jié)。N區(qū)擴(kuò)散向結(jié)處的電子中高于勢壘尖峰的部分電子通過發(fā)射機(jī)制進(jìn)入P區(qū)，此類異質(zhì)結(jié)電流主要由電子發(fā)射機(jī)制決定。從N型區(qū)導(dǎo)帶底到P型區(qū)導(dǎo)帶底的勢壘高度是P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度n10與N型半導(dǎo)體中的多子濃度n20的關(guān)系是n1（-x1）與n20的關(guān)系為在穩(wěn)定情況下，P型區(qū)半導(dǎo)體中注入的少子的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程是其通解是應(yīng)用邊界條件從而求得電子的擴(kuò)散電流密度外加電壓V時(shí)，通過異質(zhì)PN結(jié)的總電流密度是

能帶圖的不連續(xù)有助于從較大的禁帶材料注入多數(shù)載流子而不論其摻雜密度如何。這也是異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基礎(chǔ)。如果n20和p10在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，則可得5.3高電子遷移率晶體管(HEMT)

ModulationDopedFieldEffectTransistor,MODFETTwoDimensionalElectronGasFieldEffectTransistor,2DEGFETHighElectronMolibityTransistor,HEMT1、在GaAs襯底上采用MBE（分子束外延）等技術(shù)連續(xù)生長出高純度的GaAs層和n型AlGaAs層；2、然后進(jìn)行臺(tái)面腐蝕以隔離有源區(qū)；5.3.1HEMT的基本結(jié)構(gòu)制作步驟：接著制作Au·Ge/Au的源、漏歐姆接觸電極，并通過反應(yīng)等離子選擇腐蝕去除柵極區(qū)上面的n型GaAs層；最后在n型AlGaAs表面積淀Ti/Pt/Au柵電極。3、4、一般該隔離層厚度取為7~10nm。既能保證高的2-DEG的面密度，又可降低雜質(zhì)中心的Coulomb散射為了完全隔開雜質(zhì)中心和2-DEG，往往在N型AlGaAs層與未摻雜GaAs層之間放一層未摻雜的AlGaAs隔離層，這樣可以在很大程度上提高2-DEG的遷移率

5.3.2HEMT的工作原理HEMT是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)的2-DEG的濃度而實(shí)現(xiàn)控制電流的。由于肖特基勢壘的作用和電子向未摻雜的GaAs層轉(zhuǎn)移，柵極下面的N型AlGaAs層將被完全耗盡。2-DEGE2E1

N-AlxGa1-xAsI-GaAs轉(zhuǎn)移到未摻雜GaAs層中的電子在異質(zhì)結(jié)的三角形勢阱中即該層表面約10nm范圍內(nèi)形成2-DEG；這些2-DEG與處在AlGaAs層中的雜質(zhì)中心在空間上是分離的，不受電離雜質(zhì)散射的影響，所以遷移率較高。柵電壓可以控制三角型勢阱的深度和寬度，從而可以改變2-DEG的濃度，以達(dá)到控制HEMT電流的目的。屬于耗盡型工作模式。減薄N型AlGaAs層的厚度，或減小該層的濃度，那么在Schottky勢壘的作用下，三角型勢阱中的電子將被全部吸干，在柵電壓為零時(shí)尚不足以在未摻雜的AlGaAs層中形成2-DEG，只有當(dāng)柵電壓為正時(shí)才能形成2-DEG，則這時(shí)的HEMT屬于增強(qiáng)型工作模式。N型AlxGa1-xAs層的厚度越小，可降低串聯(lián)電阻，但太小會(huì)產(chǎn)生寄生溝道，通常取35~60nm。

N型AlxGa1-xAs層的組分x越大，禁帶寬度越大，導(dǎo)帶突變增大，可增大2-DEG濃度，但組分x太大時(shí)，晶體的缺陷增加，一般取x=0.3。如果AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中存在緩變層，緩變層厚度WGR的增大將使2-DEG的勢阱增寬，使勢阱中電子的子能帶降低，從而確定的Fermi能級(jí)下，2-DEG的濃度增大；但是，WGR的增大，使異質(zhì)結(jié)的高度降低，又將使2-DEG的濃度減小。WGRGaAsE2E1EFN-AlGaAs存在一個(gè)最佳的緩變層厚度，使2-DEG的濃度最大。對(duì)于不存在隔離層N-Al0.37Ga0.63As/GaAs異質(zhì)結(jié)，計(jì)算給出2-DEG的濃度ns與AlGaAs中摻雜濃度ND和緩變層厚度WGR的關(guān)系如下所示。5.3.3異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣在摻雜GaAlAs和未摻雜的GaAs層組成的異質(zhì)結(jié)上，將在界面形成導(dǎo)帶勢阱和二維電子氣。在垂直于界面方向，電子運(yùn)動(dòng)是量子化的，基于有效質(zhì)量近似，二維電子氣中電子的運(yùn)動(dòng)可由波包函數(shù)描述

i表示第i個(gè)子帶，則波函數(shù)滿足薛定諤方程：勢能可由如下的泊松方程求解空間電荷密度由界面電子濃度和GaAs摻雜決定GaAs中的電子可以近似看作處在一個(gè)三角形勢阱中，因?yàn)楸砻骐妶鯢s近似是恒定的，在z<0一邊是無限高勢壘，在z>0一邊耗盡層電荷形成一個(gè)線性電勢分布：

求解得出其薛定諤方程特征函數(shù)是Airy函數(shù)，也可以求出表面載流子濃度與費(fèi)米能級(jí)的函數(shù)關(guān)系，相應(yīng)的子帶能級(jí)為由高斯定律，表面電場Fs與表面載流子密度ns之間存在以下關(guān)系可以簡化為在大多數(shù)實(shí)際情況下，僅考慮最低兩個(gè)能級(jí)

二維電子氣態(tài)密度D可以通過實(shí)驗(yàn)測得

突變異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同隔離層厚度di情況下二維電子氣密度與GaAlAs摻雜濃度的關(guān)系

緩變異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同未摻雜GaAlAs隔離層厚度di

情況下二維電子氣密度與GaAlAs摻雜濃度的關(guān)系（實(shí)線對(duì)應(yīng)于WGR=3nm,虛線對(duì)應(yīng)于WGR=0nm）5.3.4HEMT的直流特性通過分離電子和電離了的施主雜質(zhì)，可以使雜質(zhì)散射效應(yīng)降低，提高遷移率。增加一個(gè)未摻雜的AlGaAs的薄層隔層可以進(jìn)一步加大電子和電離雜質(zhì)的分離。HEMT的能帶結(jié)構(gòu)

勢阱中的2-DEG密度受限于柵極電壓。當(dāng)在柵極加足夠大的負(fù)電壓時(shí)，肖特基柵極中的電場使勢阱中的二維電子氣層耗盡。金屬-AlGaAs-GaAs結(jié)構(gòu)在零偏及反偏的能帶圖。零偏時(shí)，GaAs的導(dǎo)帶邊緣低于費(fèi)米能級(jí)，這表明二維電子氣的密度很大，相應(yīng)FET中的電流幾乎很大。

反偏時(shí)，GaAs的導(dǎo)帶邊緣高于費(fèi)米能級(jí)，說明二維電子氣的密度很小，相應(yīng)FET中的電流幾乎為零。負(fù)柵壓將降低二維電子氣的濃度，正柵壓將使二維電子氣的濃度增加。二維電子氣的濃度隨柵壓增加，直到GaAlAs的導(dǎo)帶與電子氣的費(fèi)米能級(jí)交疊為止。如下圖：肖特基勢壘和異質(zhì)結(jié)勢壘分別使AlGaAs層的兩個(gè)表面耗盡。在理想情況下，設(shè)計(jì)器件時(shí)應(yīng)該使這兩個(gè)耗盡區(qū)交疊，這樣就可以避免電子通過AlGaAs層導(dǎo)電。HEMT的電流與電壓關(guān)系

qФM

是柵極的Schottky勢壘高度

平帶電壓是

HEMT的平衡情況的能帶圖和平帶情況的能帶圖，由圖可得閾值電壓

電荷控制模型可知，2-DEG的濃度ns與柵電壓Vg關(guān)系是

2112VG(V)0ns與

VG基本上成正比關(guān)系。所以可知，HEMT就是依據(jù)柵電壓控制溝道中2-DEG的濃度來工作的。

采用緩變溝道近似，則漏極電流沿溝道的分布可以表示為假定電子遷移率μn恒定，同過積分，則得到漏極電流：VDS較小時(shí)可以得到線性關(guān)系為

VDS較大時(shí)漏極電流將達(dá)到飽和溝道較短時(shí)，還須計(jì)入電子漂移速度vd和電場ε的關(guān)系。強(qiáng)電場下，器件的性能被電子的飽和速度vdsat所限制。由此，可以求出飽和電流IDS的表達(dá)式：

當(dāng)VT≈0時(shí)當(dāng)ε=εm時(shí)可以得出下圖中，虛線是計(jì)算結(jié)果，實(shí)線是測量結(jié)果?？梢?，在強(qiáng)電場下工作的耗盡型HEMT和增強(qiáng)型HEMT，都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。即5.3.7HEMT的頻率特性由于HEMT中通過調(diào)變摻雜方式大大降低了電離雜質(zhì)散射，2-DEG所遭受的散射機(jī)構(gòu)，主要是光學(xué)波聲子散射；表面粗糙度散射很小，可忽略。Hall效應(yīng)測量表明，2-DEG的濃度ns與柵電壓VG成正比。此外，電子遷移率與柵電壓關(guān)系如下：

（k為0.5~2.0的常數(shù)）故有在HEMT工作柵壓變化范圍，遷移率變化保持在30%之內(nèi)。故在討論器件工作特性時(shí)可假定為恒定值。電子漂移速度與電場的關(guān)系

如圖，遷移率作為電場的函數(shù)，隨著溫度T的升高是下降的，在300K時(shí)幾乎與電場無關(guān)，而在低溫、特別是在低電場時(shí)，遷移率隨電場下降得很快（由于這時(shí)遷移率很高，電子迅速被“加熱”而發(fā)射出極性光學(xué)波聲子的緣故）。說明HEMT工作于高電場區(qū)時(shí)，已不能體現(xiàn)2-DEG的優(yōu)點(diǎn)。在GaAs/AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)中的2-DEG的遷移率，不僅與溫度T有關(guān)，還與2-DEG濃度和組分x強(qiáng)烈相關(guān)，除此之外，還與異質(zhì)結(jié)中的本征AlGaAs隔離層厚度d有關(guān)。圖為2-DEG和3-DEG在不同溫度下的速場特性關(guān)系曲線高電場下，無論高溫還是低溫，2-DEG的速度總是大于3-DEG。另外，電場越小，溫度對(duì)速度的影響越大，因而長溝道HEMT更適合降低溫度來提高性能。對(duì)短溝HEMT，決定器件性能的因素往往不是低電場時(shí)的遷移率，而是高電場時(shí)的飽和速度vdsat漏極電流飽和是由于在漏端溝道內(nèi)電子速度達(dá)到飽和。此時(shí)，漏端柵下GaAs層內(nèi)將出現(xiàn)電子積累，在此區(qū)域附近電場將集中，漏極電壓的大部分將降落在這個(gè)很窄的范圍內(nèi)。在此狹窄范圍，速度過沖效應(yīng)明顯。圖為電子速度與電場的關(guān)系圖為電子速度與電場作用時(shí)間的關(guān)系HEMT的特征頻率fT是使最大輸出電流與輸入電流相等，即最大電流增益下降到1時(shí)的頻率。即截止頻率fT定義為輸入電流Ii等于本征晶體管理想輸出電流gmVGS時(shí)的頻率。輸出短路時(shí)

所以截止頻率為

對(duì)飽和電流區(qū)和VG>VT的工作區(qū)

（短?hào)牛?/p>

或者（長柵）

故fT可表示為

（短?hào)牛?/p>

（長柵）

所以，對(duì)短?hào)徘樾?，提高最高工作頻率的措施是縮短溝道長度L對(duì)長柵情形，提高高工作頻率的措施也包括縮短溝道長度L，提高載流子遷移率，提高柵極電壓，減小截止電壓。

HEMT的最高震蕩頻率fmax是指最大功率增益下降到1時(shí)的頻率其中5.4異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)

5.4.1HBT的基礎(chǔ)理論常規(guī)BJT難以同時(shí)兼顧高頻與放大性能，原因如下：減小基極電阻、減小集電結(jié)勢壘電容、減小發(fā)射結(jié)勢壘電容提高基區(qū)摻雜濃度和增寬基區(qū)厚度

發(fā)射結(jié)注人效率降低和載流子渡越基區(qū)的時(shí)間增長提高頻率性能放大系數(shù)和頻率特性下降異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HeterojunctionBipolarTransistor——HBT)

異質(zhì)結(jié)的中心設(shè)計(jì)原理是利用半導(dǎo)體材料禁帶寬度的變化及其作用于電子和空穴上的電場力來控制載流子的分布和流動(dòng)。因而使之具有許多同質(zhì)結(jié)所沒有的優(yōu)越性。HBT是由禁帶寬度較大(大于基區(qū)的禁帶寬度)的半導(dǎo)體作為發(fā)射區(qū)的一種BJT，即采用異質(zhì)發(fā)射結(jié)的雙極型晶體管。這種異質(zhì)發(fā)射結(jié)注入電子的效率很高(≈1)，因?yàn)榭昭ǖ姆聪蜃⑷霂缀跬耆活~外的一個(gè)空穴勢壘阻擋，即發(fā)射結(jié)的注入效率主要由結(jié)兩邊禁帶寬度的差異所造成的一個(gè)額外的空穴勢壘(高度為ΔEv)決定，而與發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度基本上無關(guān)。因此，HBT可以在保持較高的發(fā)射結(jié)注入效率的前提下，容許提高基區(qū)的摻雜濃度和降低發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，從而使器件的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)得以減弱(可得到較高的Early電壓)、基極電阻減小、大注入效應(yīng)減弱、發(fā)射結(jié)勢壘電容減小、發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄效應(yīng)消失，并可通過減薄基區(qū)寬度大大縮短基區(qū)渡越時(shí)間，所以能夠?qū)崿F(xiàn)超高頻、超高速和低噪聲的性能，從而提供最大的Early電壓值，有利于微波應(yīng)用。采用Ⅲ—V族化合物半導(dǎo)體制作的HBT，就是最早進(jìn)入毫米波領(lǐng)域應(yīng)用的一種三端有源器件。根據(jù)異質(zhì)結(jié)界面過渡區(qū)材料組分的變化情況可以將其分為突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié)。突變異質(zhì)結(jié)的過渡區(qū)很薄，通常只有數(shù)十?或幾個(gè)?，緩變異質(zhì)結(jié)則有比較寬的過渡區(qū)．通常有數(shù)百?。其寬度可通過工藝方法和工藝方條件來控制。（a）是突變發(fā)射結(jié)的情況，其基區(qū)均勻，無加速場

（b）是緩變發(fā)射結(jié)的情況，基區(qū)無加速場（c）是緩變發(fā)射區(qū)、緩變基區(qū)，有加速場（d）是突變發(fā)射結(jié)、緩變基區(qū)，存在加速場異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其寬禁帶發(fā)射區(qū)、窄禁帶基區(qū)構(gòu)成的發(fā)射結(jié)一定是異質(zhì)結(jié)，集電結(jié)可以是異質(zhì)結(jié)，也可以是同質(zhì)結(jié)。其基本結(jié)構(gòu)及工作原理和普通同質(zhì)結(jié)雙極晶體管大致相同。

當(dāng)雙極晶體管的發(fā)射結(jié)加上正向偏壓VEB，集電結(jié)加有反向偏壓VCB，則其共射極電流放大系數(shù)β可表示如下因而為發(fā)射系數(shù)，γ為發(fā)射系數(shù)，β*

是基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)。

而由于HBT基區(qū)寬度為亞微米或更小，故可假定基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為1忽略基區(qū)體復(fù)合電流；若同時(shí)忽略勢壘復(fù)合流，則只由決定，其最大可能值為：

故有發(fā)射結(jié)的注入比

：

因?yàn)榍壹俣ǖ玫?/p>

其中因而得到對(duì)于同質(zhì)結(jié)，?EG=0，一般是通過提高發(fā)射效率，增加發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比NE/NB來提高電流增益為此，一般要求NE/NB

≥102。而異質(zhì)結(jié)中，只要?EG>

0。βmax就能達(dá)到很大值，而與NE/NB關(guān)系不大。所以，HBT中通過采用寬帶隙發(fā)射區(qū)，打破了普通同質(zhì)結(jié)雙極晶體管的局限性，克服了其增益與速度之間的固有矛盾。

下圖是同質(zhì)結(jié)雙極晶體管與HBT的雜質(zhì)濃度分布的比較。為了得到高的注入效率，同質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射區(qū)為高摻雜,基區(qū)的摻雜濃度比發(fā)射區(qū)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。而對(duì)HBT而言，由于能帶結(jié)構(gòu)帶來的高注入比優(yōu)勢，發(fā)射區(qū)摻雜濃度低于基區(qū)摻雜濃度，使得HBT體現(xiàn)了高速高增益的特性。采用MBE或MOCVD制作的AlGaAs/GaAsHBT結(jié)構(gòu)示意圖

5.4.2、能帶結(jié)構(gòu)與HBT性能的關(guān)系對(duì)于突變發(fā)射結(jié)晶體管，發(fā)射區(qū)低摻雜，大部分電勢將降落在發(fā)射區(qū)上（qVD2），能帶圖上形成尖峰；小部分電勢降落在基區(qū)，形成凹口（qVD1）該凹口勢阱將收集注入的電子，增加復(fù)合損失，產(chǎn)生放大系數(shù)下降等不良結(jié)果?？梢酝ㄟ^MBE在界面生成高受主濃度的薄層電荷填補(bǔ)該勢阱

而對(duì)于勢壘本身而言，其不良影響之一是使得到同樣電流，發(fā)射極偏壓將增大，極大地降低了發(fā)射系數(shù)。因?yàn)榇藭r(shí)，發(fā)射區(qū)電子穿過發(fā)射極所越過的勢壘比緩變發(fā)射極小了，而基區(qū)空穴穿過發(fā)射極所越過的勢壘沒有變化，相當(dāng)于發(fā)射區(qū)與基區(qū)的帶隙寬度差?EG減小?EC了，約為?EV

。對(duì)于發(fā)射結(jié)，有電子要從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，須克服的勢壘為空穴要從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)須克服的勢壘則為故有

而對(duì)于緩變發(fā)射結(jié)，電子注入要克服的勢壘為而空穴所克服的勢壘不變，故有也就是說，發(fā)射結(jié)為緩變異質(zhì)結(jié)的較之突變異質(zhì)結(jié)的大，這是由于?EC

、?EC共同影響的結(jié)果對(duì)突變異質(zhì)結(jié)而言，價(jià)帶斷續(xù)大的發(fā)射結(jié)則對(duì)增益有利。突變發(fā)射結(jié)的優(yōu)勢是使注入到基區(qū)的電子具有附加的動(dòng)能，使其達(dá)到很高的速度（108cm/s），產(chǎn)生所謂速度過沖，近似于彈道輸運(yùn)。具有更小的基區(qū)渡越時(shí)間和更高的截止頻率。速度過沖：指在剛加上強(qiáng)電場的瞬間，半導(dǎo)體中載流子的漂移速度可以大大超過飽和漂移速度的非平衡瞬態(tài)現(xiàn)象右圖為GaAs中電子的速度過沖，，大約經(jīng)過10-12秒，漂移0.5μm之后，電子速度才穩(wěn)定到相應(yīng)電場的穩(wěn)態(tài)值。

不同材料的小尺寸器件，由載流子非平衡輸運(yùn)的平均時(shí)間可以估算出其有效漂移速度

采用MonteCarlo方法計(jì)算出經(jīng)過HBT突變發(fā)射極勢壘ΔEB的電子在基區(qū)漂移速度與距離的關(guān)系由于GaAs的上下能谷的能量差為0.33eV，大的注入能量會(huì)使更多的電子躍遷到上能谷，而上能谷比下能谷有效質(zhì)量大很多，具有較低的速度和遷移率。因此，發(fā)射極勢壘尖峰很高，也不一定會(huì)得到高的電子漂移速度和低的基區(qū)渡越時(shí)間?？梢酝ㄟ^基區(qū)材料組分的緩變，實(shí)現(xiàn)帶隙的變化，從而設(shè)置基區(qū)加速場AlxGa1-xAs中Al的組分x，越高，其材料禁帶寬度越大，通過改變其中Al的組分，可以設(shè)置加速電場

，降低電子的基區(qū)渡越時(shí)間，提高頻率特性采用緩變基區(qū)能帶結(jié)構(gòu)以降低基區(qū)渡越時(shí)間τB、提高頻率特性之后，對(duì)整個(gè)延遲時(shí)間的貢獻(xiàn)最大者則是如下式的集電極空間電荷區(qū)的渡越時(shí)間τSCR故應(yīng)該保證載流子在漂移過程中始終處于Γ能谷。圖為其不同摻雜結(jié)構(gòu)對(duì)電場分布的調(diào)節(jié)和得出的電子速度分布5.4.3異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的特性降低發(fā)射區(qū)摻雜濃度

減小發(fā)射結(jié)電容提高基區(qū)摻雜濃度降低基極電阻

提高了工作頻率及功率增益

HBT的高頻性能主要取決于總的渡越時(shí)間

ec和有效基極電阻與集電極電容所構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)

eff：最高振蕩頻率為

相對(duì)于相同尺寸的Si雙極晶體管，HBT具有更高的設(shè)計(jì)自由度和靈活性，可以獲得更好的頻率特性對(duì)于數(shù)字運(yùn)用，盡管開關(guān)時(shí)間與電路與偏置密切相關(guān)，但可得出其關(guān)系為經(jīng)估算，與相同工藝條件下的雙擴(kuò)散硅雙極晶體管相比，HBT開關(guān)速度快了5至8倍。開關(guān)時(shí)間與基極電阻有一次方關(guān)系，fmax與基極電阻是二分之一次方關(guān)系。因而增加基區(qū)摻雜對(duì)開關(guān)時(shí)