半导体器件物理(第五章)_59230712

对于单一基区的结构（例如2E1B结构），其本
征基区电阻为：
rbi
=
1 ⎜⎛ W 3⎝ L
⎟⎞ ⎠
RSbi
而对于双基区的结构（例如2B1E结构），则其
本ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ基区电阻为：
rbi
=
1 12
⎜⎛ W ⎝L
⎟⎞ ⎠
RSbi
可见双基区结构的本征基区电阻大大下降，上述
结论同学们可以作为课后作业来加以证明。
J.Hsu
0)
=
np0
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞（PN结正向少子注入）
np (x = W ) = np0
（欧姆接触区）
由此得到上述少子扩散方程的解为：
np
−
np0
=
np0 ⎢⎣⎡exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
⎤ −1⎥
⎦
sinh
⎜⎜⎝⎛
W− Ln
sinh⎜⎜⎝⎛
W Ln
x ⎟⎟⎠⎞
⎟⎟⎠⎞
注入到基区的电子均被收集区所收集，且没有电子由
收集区注入到基区，因此收集极电流保持恒定，不随
VCE 的变化而改变。此时晶体管的电流增益 β 也保
持恒定，图中恒定 IB 的输出电流－电压特性曲线族 是由等步长变化的基极电流决定的。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
上图所示为正偏PN结的能带图，此时PN结处于 非平衡状态，根据第三章的分析，必须引入准费米能
件基区的寄生电阻，提
高器件的高频性能；而
2E1B结构则有利于增大
器件的输出电流密度。
如图所示，器件基区的
寄生电阻分为内基区电
阻rbi 和外基区电阻rbx 。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
发射区下方的内基区电阻也称为本征基区电阻，
∫ 其薄层电阻率为：
RSbi
=
q
WB 0
1
pp (x)μ p (x)dx
型的计算结果有所偏离，
这分别起因于小注入时发
射结耗尽层中的复合电流
和大电流时的串联电阻效
应。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
如图所示为一个NPN型双极晶体管的电路符号及 其不同电极之间的电压表示方法。
根据双极型晶体管不同
电极之间的电压关系，我们
可以将其工作状态划分为两
个不同区域： （1）饱和区：VCE < VBE 此时双极型晶体管的发射结
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
根据单边突变N+P结势垒区宽度的公式：
( ) Wd =
2ε Si ψ bi ± Vapp
qN a
可知：为了避免薄基区条件下的基区穿通效应，可适
当增大双极型晶体管基区的掺杂浓度NB 。
左图所示为 发生基区穿 通效应前后 双极型晶体 管的能带示 意图
J.Hsu
dn dx
⎟⎟⎠⎞
=
μ
n
kT
dn dx
Rn
− Gn
=
n − n0
τn
由此得到：
d 2np − np − np0 = 0
dx 2
L2n
其中：
Ln ≡
Dnτ n =
kTμnτ n
q
称为少数载流子电子 的扩散长度。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
在P型区一侧上述扩散方程的边界条件为：
np
(x
=
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
1. 双极型晶体管（BJT）基础
尽管CMOS器件目前在各类微电子产品中已经占 据了绝对优势，但是双极型晶体管仍然没有完全退出
历史舞台，原因在于其固有的超高速特性和优越的模 拟信号处理能力。双极型晶体管可分为NPN型和PNP 型两大类，前者是N型掺杂的发射区和收集区之间夹 着一个P型掺杂的基区，后者则是P型掺杂的发射区 和收集区之间夹着一个N型掺杂的基区。
散，一边不断地与多数载流子复合，最终形成一个稳
定的少数载流子浓度分布。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
以P型区中的电子为例， PN结发生稳定的正向注
入效应时，过剩少数载流子电子的浓度分布满足下述
方程：
∂n ∂t
=
1 q
∂J n ∂x
−
Rn
+ Gn
=
0
Jn
=
−qnμn
⎜⎜⎝⎛
dψ
dx
− kT qn
流增益β ，但这也会增大控制薄基区宽度WB的难度。
其次是关于器件基区的设计，要尽可能减小基区
结深，以缩小基区宽度，增大电流增益，同时减少收
集结正偏时的基区存储电荷QB ，提高双极型晶体管 的开关性能；至于基区的掺杂浓度则可以适当提高，
以减小基区的串联电阻，这样既可以提高双极型晶体
管的高频性能，又可以提高器件的 Early 电压，减小
右图所示为双
极型晶体管处
于正常放大工
作时的偏置条
件及其能带示
意图，从图中
可见，在器件
发射结正偏条
件下，电子由
发射区注入到
基区，而空穴
由基区反向注
入到发射区。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
那些由发射区注入到基区中的电子，其中在基区
中没有被复合掉的部分，最终将被反偏的收集结所收 集，形成收集极电流IC；由基区注入到发射区的空穴 最终将在发射区内部或其欧姆接触电极处被复合掉， 这个空穴电流构成了基极电流IB 的主要成份。双极型
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
关于基区宽度扩展效应：
VBE=0 VBE>0
如图所示，当
发射区注入的电子 流过收集结时，如 果电子的浓度为n 的话，则收集结耗 尽区中靠近基区一 侧的负电荷密度将 增大nq ，而靠近 收集区一侧的正电 荷密度将减少nq， 假设收集结上的外 加电压不变，则负 电荷密度区的宽度 将变窄。
双极型晶体管有两种常用的器件结构，一种是横
向器件结构，另一种是纵向器件结构。目前在各种实 际的超高速双极型集成电路中使用的BJT器件无一例 外都是纵向NPN型双极晶体管。我们在本章中也以这 种类型的双极型器件为例来进行分析讨论。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
双极型晶体管的组成结构、偏置条件及能带示意图：
下页图中曲线所示为依据上述关系在不同P 型基
区宽度W 的条件下，P 型区中归一化的过剩少数载流
子电子浓度的分布情况。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
PN结正向注入时P型区中过剩少子电子的浓度分布：
W＝基区宽度 L＝少子扩散长度
（W＝∞）
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
从图中可见，P 型基区宽度W 越窄，基区中过剩
晶体管的电流增益 β 定义为： β = IC
IB
下页图中曲线所示为双极型晶体管收集极电流IC 及基极电流IB 随发射结电压VBE 的变化关系，该曲线 通常称为Gummel曲线，从图中可见，随着发射结电 压VBE 的增大，器件的收集极电流IC 和基极电流IB 均 按指数形式增大，二者之比即为器件的电流增益
β ，可见在很宽的电流范围内， β 基本保持恒定。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
在右图所示的Gummel曲
线中，虚线所示为通过理
论模型计算得到的IC 和IB 随VBE 变化的理想结果， 从图中可见，实测的IC 仅 在VBE 较大时和理论模型 的计算结果有一定的偏
离，而实测的IB 则在VBE 较小和较大时均和理论模
基区宽度调制效应，避免出现基区穿通效应。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
最后是关于收集区的设计，通常收集区掺杂浓度
NC 最低，这样既可以提高器件的收集结击穿电压， 又可以减小收集结的势垒电容；但是NC 的取值又不 能过低，否则既会带来较大的收集区串联电阻，又容
易加剧基区扩展效应。因此需要对收集区的掺杂浓度
少数载流子电子浓度np 的变化越接近线性，基区中载 流子的复合越少，即：
Jn(x = 0) ≈ Jn(x = W )
IC ≈ IE
注意图中： np (x = W ) = np0
这对应的器件偏置条件是VCB=0V 时的情形。当基区 宽度W趋于无穷大时， 则有：
Jn(x = W ) = 0
此时BJT器件的放大作用已完全消失，即相当于两个
出相应的PN结隔离区或介质隔离区，以实现不同晶
体管之间的电学隔离。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
器件的基区通常采 双极型晶体管基区/发射区
用扩散或离子注入方式
的版图与剖面图结构
形成，基区与发射区之
间的基本结构有1E2B形
式，如右图所示，也有
相反的2E1B形式。其中
1E2B结构有利于减小器
如图所示，当VCE < VBE 时，器件的收集结也处于 正偏状态，晶体管处于饱和区，此时收集极电流可近
似为正偏发射结电流与正偏收集结电流之差（忽略基
极电流），因此当VCE不断增大时，晶体管逐渐退出 饱和区（收集结正偏状态），晶体管的收集极电流也
不断增大。
而当VCE > VBE 时，器件的收集结处于反偏状态， 晶体管处于非饱和区（正向放大区），此时由发射区
和收集结均处于正偏状态； （2）非饱和区：VCE >VBE 此时器件的发射结处于正偏
状态，而器件的收集结则处
于反偏状态。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
理想双极型晶体管的输出电流－电压特性：
虚线所示为饱和区与非饱和区 的分界点，该处VCE=VBE 。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
x = −xp
=
ni2 Na
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
而P型区一侧势垒区边界处的过剩空穴浓度为：
pn (x
=
xn ) =
ni2 Nd
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
由此可见，在双极型晶体管中，收集极电流与基区的
掺杂浓度成反比，而基极电流则与发射区的掺杂浓度
成反比。过剩少数载流子在PN结势垒区两侧一边扩
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
当收集极电流密度很大时，有效基区宽度会扩展
至整个基区甚至收集区，由此导致大电流下双极型晶
体管电流增益的下降，器件的高频特性和速度性能也
明显下降，如下图所示。通常我们把器件fT 或β 下降
到最大值0.7
fT ，tpd
倍时的电流密度称为临界电流密度JC0
。
左图所示为大
NC 及其宽度进行全面的优化，一个折衷的选择是在 低掺杂浓度的收集区下方再设置一个高掺杂浓度的收
集区埋层，从而有效解决收集结的势垒电容、收集结
击穿电压与收集区串联电阻等因素之间的矛盾。
对于集成电路中的双极型晶体管，通常其衬底为
P型掺杂的硅晶片，在其上合适的位置首先要做好高
浓度掺杂的N+埋层，然后外延生长收集区层，再制备
JCm JC0
电流密度条件下由 于基区扩展效应所 引起的双极型晶体 管高频特性和速度 性能的下降。
JC
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
发生有效基区扩展效应时，可近似认为收集区中
的可动载流子电子的浓度达到NC ，即n=NC ，此时临
界收集极电流密度可表示为： JC0 = nqvsat = NC qvsat
级（电子的准费米势Φn和空穴的准费米势Φp）的概
念，且满足：
[ ( ) ] pn = ni2 exp q φp −φn kT
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
在有载流子正向注入的情况下，PN结耗尽层两侧 的过剩载流子浓度分别由下面两式给出，即N型区一
侧势垒区边界处的过剩电子浓度为：
( ) np
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
对于双极型晶体管的优化设计来说，可以分别从
发射区、基区以及收集区的设计来加以考虑。
首先是发射区的设计，要尽可能提高发射区的掺
杂浓度NE ，以提高发射结的注入效率γ，增大器件
的电流增益β ，同时减小发射区的串联电阻；此外
还可适当增大发射区的结深，以进一步增大器件的电
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
关于双极型晶体管E、C之间的穿通效应（基区穿通）
如图所示，当晶体管的基
区宽度WB 比较薄时，以致于 器件收集结上的电压VBC能够 影响到发射结上的势垒高度
时，就会发生E、C之间的穿
通效应，有时也称为基区穿
通效应，此时器件收集极的
电流将不再受到发射结电压 VBE的控制，并会出现急剧增 大的现象，此效应非常类似 于小尺寸MOSFET中的漏感 应势垒降低（DIBL）效应。
如上页图示，没有发生有效基区扩展效应的最大
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
半导体器件
物理进展
第五章 双极型晶体管的优化设计及 性能因子
Bipolar Device Design Optimization and Performance Factors
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
本章内容提要：
双极型晶体管（BJT）基础 双极型器件的设计优化 双极型器件的等效电路及其性能因子 SiGe HBT 的原理与优势 双极型器件与CMOS器件之对比
分立的PN结二极管简单地反向连接在一起，二者之
间失去相互作用，故不可能实现放大功能。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
2. 双极型器件的设计优化
右图所示为 一个实际的BJT 器件及其简化的 结构图，其中器 件两侧与衬底的 P 型区是为了实 现相邻器件之间 的PN结隔离，而 底部的N+区则是 为了减小收集极 正面引出时的寄 生串联电阻。