第四章异质结双极型晶体管
第四章异质结双极型晶体管
化合物半导体器件
4.2 HBT的增益
4.2.3 HBT增益与温度的关系
图4.7 不同温度下SiGe HBT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
4.1 HBT的基本结构
4.1.2 突变发射结HBT
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β
⑤ΔEc：
应小于基区导带的 能谷差EL-EΓ
图4.2 (a) 突变发射结HBT的能带图图
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.3 缓变（渐变）发射结HBT
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
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
4.1 HBT的基本结构
4.1.1 HBT的基本结构与特点
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 HBT的增益
4.2.1 理想HBT的增益
共射极： 1
1
1
1
1 J pE J nE
1
DEWB pE0 DBWE nB 0
1
HBT异质结双极型晶体管课件
5.4 HBT应用展望
3、SiGe/Si异质结
SiGe/Si异质结特点：
结构特性可以大大提高晶格匹配，载流子的迁移率、载流子的饱和速度以及二维 载流子气浓度。
SiGe/Si HBT的应用展望：
高频、高速、光电、低温等器件及集成电路。
27
第28页，共33页。
5.4 HBT应用展望
常见的HBT包括： （1）AlGaAs/GaAs HBT 发射区采用AlxGa1-xAs材料，Al组分x选择在 0.25左右（高于此值时n型AlGaAs中出现深能级使发射结电容增加） 。
特点：AlGaAs/GaAs体系具有良好的晶格匹配，采用半绝缘衬低 ，器件之间容易隔离和互连。
（2）InGaAs HBT 基区采用InGaAs材料，InP或InAlAs作为发射区材 料。这类器件的半绝缘衬底采用掺Fe的InP，
于突变结HBT,选择大的的发射结材料组合
11 第12页，共33页。
5.2 HBT的制作方法和结构
3、 HBT的结构设计
基区设计：
fT 与基区的渡越时间有关
B W 2B / 2DB
DB kT / q
结论: 1.选择迁移率高的材料作基区 2.减少基区宽度,从而减少渡越基区时间
第13页，共33页。
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第25页，共33页。
5.4 HBT应用展望
1、SiGe HBT的发展 • 1986年，用UHV/CVD技术，SiGe器件 • 1987年,第一个器件性能的SiGeHBT • 1988 年，用MBE方法生长SiGeHBT • 1989年， UHV/CVD技术SiGeHBT，基区Ge组分渐变，多晶发射极的SiGeHBT • 1990年fT=75GHz,SiGeHBT • 1992, SiGeHBT CMOS工艺1994商用化产品 • 1998 德国TEMIC 工业化的SiGeHBT 工艺。
第四章pn结
• • • • • • • •
空间电荷(space charge) ： 由中性区移动到结，会遇到一窄小的过渡区，如左图所示．这 些掺杂离子的空间电荷部分被移动载流子补偿．越过了过渡区域， 进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区，这个区域称为耗尽区(空 间电荷区)．对于一般硅和砷化镓的p-n结，其过渡区的宽度远比耗 尽区的宽度要小．因此可以忽略过渡区，而以长方形分布来表示耗 尽区，如右图所示，其中xp和xn分别代表p型和n型在完全耗尽区的 宽度。
耗尽区
• 耗尽区(abrupt junction) • 为求解泊松方程式，必须知道杂质浓度分布．需要考虑两 种重要的例子，即突变结(abrupt junction)和线性缓变结 linearly graded junction)． • 突变结：如图，突变结是浅扩散或低能离子注入形成的pn结．结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突 然变换来近似表示．
• •
•
产生-复合和大注入影响 理想的二极管方程式，可以适当地描述锗p-n结在低电流密度时的电流-电压 特性．然而对于硅和砷化镓的p-n结，理想方程式只能大致吻合，因为在耗尽 区内有载流子的产生及复合存在． 首先，在反向偏压下，耗尽区内的载流子浓度远低于热平衡时的浓度．前一 章所讨论的产生和复合过程主要是通过禁带中产生-复合中心的电子和空穴发 射，俘获过程并不重要．因为俘获速率和自由载流子的浓度成正比，而在反 向偏压下耗尽区的自由载流子非常少．工作在稳态下，这两种发射过程交替 地发射电子和空穴。电子-空穴对产生可以由
电流电压特性
• • • • • • • • • • • • • 电流-电压特性： 当在p-n结外加一电压，将会 打乱电子和空穴的扩散及漂移电 流间的均衡． 如中间图所示，在正向偏 压时，外加的偏压降低跨过耗 尽区的静电电势．与扩散电流 相比，漂移电流降低了．由p端 到n端的空穴扩散电流和n端到p 端的电子扩散电流增加了．因 此，少数载流子注入的现象发 生，亦即电子注入p端，而空穴 注入n端．
异质结双极晶体管
异质结双极晶体管引言异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，简称HBT）是一种基于两种或多种不同半导体材料的双极晶体管。
它相比于传统的同质结双极晶体管，在性能上有明显的优势，广泛应用于微波、光电子、通信等领域。
本文将对异质结双极晶体管的原理、结构、特性和应用进行详细的探讨。
I. 异质结双极晶体管的原理异质结双极晶体管的基本原理是基于不同半导体材料之间形成的异质结。
通过巧妙的结构设计，可以实现载流子在不同材料之间的高效传输和控制。
异质结双极晶体管的工作原理可分为以下几个方面：1. 异质结的能带差异异质结由两种或多种不同的半导体材料构成，具有不同的禁带宽度。
当两种材料接触时，由于能带差异的存在，会在界面形成电子能级弯曲。
这种电子能级弯曲导致在异质结界面形成空间电荷区，这种电荷区域将影响载流子的传输和控制。
2. 异质结的电荷分布由于异质结的带边弯曲，会形成空间电荷区，其中包含正负电荷。
这种电荷区域的存在改变了材料内部的电子和空穴浓度分布，从而影响异质结附近的电子和空穴输运过程。
3. 异质结的能带弯曲控制异质结双极晶体管通过精确定义异质结的结构和厚度，可以有效地控制能带弯曲和空间电荷区的形成。
通过这种控制，可以实现载流子的选择性注入和传输，从而实现晶体管的放大作用。
II. 异质结双极晶体管的结构异质结双极晶体管的结构与传统的同质结双极晶体管有所区别。
它包括以下几个主要部分：1. 基区异质结双极晶体管的基区是由两种不同材料的异质结构成的，其中一种材料具有较宽的禁带，称为宽禁带材料；另一种材料具有较窄的禁带，称为窄禁带材料。
宽禁带材料的电子亲和能小于窄禁带材料，因此宽禁带材料中的电子会通过异质结注入到窄禁带材料中。
2. 发射区异质结双极晶体管的发射区是负责注入电子到基区的部分。
通常在发射区引入P型材料，通过预制N型材料的P-N结，形成发射结。
3. 收集区异质结双极晶体管的收集区是负责收集注入到基区的载流子的部分。
sige异质结双极晶体管
sige异质结双极晶体管
一、概述
sige异质结双极晶体管是一种具有特殊结构的晶体管，由半导体异质材料组成，具有高速、高效、高温等优点。
由于其独特的结构和工作原理，sige异质结双极晶体管在许多领域都有广泛的应用，如通信、雷达、电子对抗、高速数字电路等。
二、结构和工作原理
sige异质结双极晶体管由三个区域组成：发射区、基区和收集区。
其中，发射区和收集区通常采用n型半导体材料，基区采用p型半导体材料。
在结构上，sige异质结双极晶体管采用了异质结结构，即将两种不同的半导体材料结合在一起，形成一个共同的界面。
当sige异质结双极晶体管工作时，电流通过基区的空穴传输，并在基区的两侧积累电荷。
由于基区的宽度较小，空穴传输速度较快，因此sige异质结双极晶体管具有较高的开关速度。
同时，由于异质结结构的存在，sige异质结双极晶体管还具有较低的串联电阻和较高的电流增益。
三、应用领域
1.通信领域：sige异质结双极晶体管的高开关速度和高温稳定性使其成为通
信领域的理想选择。
它可以用于高速调制解调器、宽带放大器、卫星通信系统等。
2.雷达和电子对抗领域：sige异质结双极晶体管的宽带放大和高速开关特性
使其在雷达和电子对抗领域中得到广泛应用。
它可以用于雷达信号放大、干扰器、高速采样等。
3.高速数字电路领域：sige异质结双极晶体管的高开关速度和高速放大特性
使其成为高速数字电路领域的理想选择。
它可以用于高速逻辑门、触发器、寄存器等。
异质结双极晶体管
异质结双极晶体管一、概述异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，简称HBT）是一种新型的双极晶体管。
它是在不同材料的半导体结合处形成的异质结上制成的。
相比于传统的双极晶体管，HBT具有更高的频率响应和更低的噪声系数。
二、原理HBT采用了异质结技术，即将不同材料的半导体材料在界面处形成异质结。
这样，在p型区和n型区之间就会形成一个更加陡峭的pn结，从而使得电流能够更加快速地通过。
此外，由于异质结能够提供一个更好的载流子注入区域，因此HBT具有更高的电流增益。
三、结构HBT由三个区域组成：发射区、基区和集电区。
1. 发射区发射区通常是由n型半导体材料制成。
它是整个器件中最薄且最窄的部分。
发射区主要用于注入少数载流子，并将其输送到基区。
2. 基区基区通常是由p型半导体材料制成。
它是整个器件中最厚的部分。
基区主要用于控制电流的流动，从而实现放大功能。
3. 集电区集电区通常是由n型半导体材料制成。
它是整个器件中最宽的部分。
集电区主要用于收集注入到基区中的少数载流子，并将其输送到外部电路。
四、特点1. 高频响应HBT具有更高的频率响应，这是由于异质结能够提供更好的载流子注入效果，从而使得电流能够更加快速地通过。
2. 低噪声系数HBT具有更低的噪声系数，这是由于异质结能够提供一个更好的载流子注入区域，从而使得器件内部噪声得到有效抑制。
3. 低功耗HBT具有较低的功耗，这是由于异质结能够提供一个更好的载流子注入效果，从而使得器件内部损耗得到有效降低。
4. 更高的工作温度范围HBT具有更高的工作温度范围，这是由于异质结技术能够提高器件对温度变化和环境干扰等因素的抵抗力。
五、应用1. 通信领域HBT广泛应用于通信领域，如无线通信、卫星通信等。
其高频响应和低噪声系数使得它成为无线电频率放大器的理想选择。
2. 光电子学领域HBT也被广泛应用于光电子学领域，如光通信、激光雷达等。
双异质结双极晶体管
异质结双极型晶体管（Heterojunction bipolar transistor,HBT）是在双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）的基础上，只是把发射区改用宽带隙的半导体材料，即同质的发射结采用了异质结来代替。
由于异质结能带的不连续性（带隙的能量差ΔEg = 价带顶能量突变ΔEv +导带底能量突变ΔEc），对n-p-n BJT，较大的ΔEv对于基区往发射区注入的空穴有阻挡作用，则宽带隙发射区异质结的注射效率接近1（即只有电子从发射区注入到基区），并且注射效率与发射区和基区的掺杂浓度无关。
HBT的最大优点就在于发射结的注射效率(放大系数) 基本上与发射结两边的掺杂浓度无关, 从而可把基区的掺杂浓度做得很高(甚至比发射区的还高), 这就可以在保证放大系数很大的前提下来提高频率, 从而能进入毫米波段。
现在HBT是能够工作在超高频和超高速的一种重要的有源器件。
HBT的最大电流增益可表示为(不考虑基区复合)βmax = IEn / IEp ∝exp[ΔEg / kT] ，则HBT与一般BJT的最大电流增益之比完全由带隙的能量差来决定：βmax (HBT) / βmax (BJT) = exp[ΔEg / kT] 。
通常取ΔEg＞250 meV, 则HBT的增益可比BJT的提高10的4次方倍。
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图4.5 npn HBT中的载流子输运示意图
化合物半导体器件
4.2 HBT的增益
4.2.3 HBT增益与温度的关系
图4.7 不同温度下SiGe HBT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
若Δ Eg=0.2eV，与相同掺杂(NE/NB相同）的BJT相比，则 HBT的β 提高了2191倍
化合物半导体器件
1 J pE
4.2 HBT的增益
4.2.2 考虑界面复合后HBT的增益
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+Ip 3）基极电流Ib：Ib=Ip+Id+Ir 4）收集极电流Ic：Ic=In-Ir 5）共射极增益：β =γ /1-γ ≈In/Id 6）复合电流的影响：
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.5 突变发射结、缓变基区HBT
①两个重要的影响因素： 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 HBT的增益
4.2.1 理想HBT的增益
共射极：
1
1 1 DEWB pE 0 DEWB N B 1 1 1 J nE DBWE N E DBWE nB 0 EgE EgB N E Eg NE exp exp NB k0T N B k0T
图 4.10 Si1-xGex的临界厚度与Ge组分的关系
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HBT
4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT 4、SiGe HBT的电学特性
不同Ge组分x时，SiGe HBT的IC-VBE
SiGe HBT和Si BJT的IC、IB与VBE的关系
4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT 1、SiGe HBT的优点 2、SiGe HBT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
4.4 先进的HBT
4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT 3、应变Si1-xGex 材料的特性
化合物半导体器件
4.3 HBT的频率特性
4.3.2 开关时间τb
WB2 b 2Dn
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Si BJT快8倍。
缓变基区HBT能带
减小τb的方法：组分渐变的基区（ν=μE )
化合物半导体器件
4.3 HBT的频率特性
4.3.3 宽带隙集电区
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
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4.1 HBT的基本结构
4.1.2 突变发射结HBT ①器件特点：
基区渡越初始速度高
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.4 缓变发射结、缓变基区HBT
①缓变发射结： ②缓变基区： ③自建电场：
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.4 缓变发射结、缓变基区HBT 4.1.3 缓变（渐变）HBT
④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
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。
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）
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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
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4.4 先进的HBT
化合物半导体器件
4.3 HBT的频率特性
4.3.1 最大振荡频率fmax
f max
1 fT 1 2 fT f C 2 8 RbCc 1 2
fT
1 2 ( E B C d )
1 fC 2 RbCe
截止频率（特征频率）fT：共发射极电流增益为1（0dB)时 的频率 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。
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β
⑤ΔEc：
应小于基区导带的 能谷差EL-EΓ
图4.2 (a) 突变发射结HBT的能带图图
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.3 缓变（渐变）发射结HBT
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：
EgE EgB N E Eg NE exp exp NB k0T N B k0T
化合物半导体器件
化合物半导体器件
4.4 先进的HBT
4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT 5、SiGe HBT的频率特性
SiGe HBT与Si BJT的fT与Ic电流关系
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4.4 先进的HBT
4.4.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物基HBT 1、GaAs系：AlGaAs/GaAs HBT 优点：①晶格常数接近；②即可突变结，也可缓变结。 2、InP系：InGaAs/InP HBT 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/InGaAs HBT 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。
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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
4.1 HBT的基本结构
4.1.1 HBT的基本结构与特点 ①HBT:Heterojunctiong Bipolar Transistor，
异质结双极晶体管
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4.1 npn HBT结构的截面图
化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.1 HBT的基本结构与特点 ④HBT的典型异质结构：
图4.2 (b) 渐变发射结HBT的能带图
化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.3 缓变（渐变）发射结HBT
⑤频率特性：
fT 1 2 ( E B C d )
f max
1 1 fT f C 2 2
• 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：