17 第三章 异质结双击晶体管
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。
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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。
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。
异质结双极晶体管 射频微波建模参数提取
异质结双极晶体管射频微波建模参数提取（实用版）目录一、异质结双极晶体管的概念与结构二、射频微波建模的基础知识三、异质结双极晶体管的参数提取方法四、异质结双极晶体管的应用及发展前景正文一、异质结双极晶体管的概念与结构异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）是一种三端器件，由发射区、基区和收集区组成。
发射区采用轻掺杂的宽带隙半导体材料（如 GaAs、InP），基区采用重掺杂的窄带隙材料（如 AlGaAs、InGaAs）。
这种结构可以增加击穿电压并最小化结之间的漏电流。
异质结双极晶体管的主要特点是在双极结型晶体管的基础上，采用异质结来代替同质的发射结。
二、射频微波建模的基础知识射频微波建模是一种分析射频微波电路性能的方法，通过对电路的结构、参数和材料特性进行模拟，得到电路的传输特性、频率响应、阻抗匹配等性能指标。
射频微波建模主要包括网络分析法、有限元法、有限差分法等。
在异质结双极晶体管的研究中，射频微波建模主要用于分析器件的性能参数，如增益、频率响应等。
三、异质结双极晶体管的参数提取方法异质结双极晶体管的参数提取主要涉及到发射结、基结和收集结的参数。
这些参数包括结电容、结电阻、击穿电压、漏电流等。
参数提取的方法主要有以下几种：1.基于测量数据的参数提取：通过测量异质结双极晶体管的输出特性、输入特性和传输特性等，得到器件的性能参数。
2.基于电路模拟的参数提取：通过建立异质结双极晶体管的电路模型，利用电路仿真软件进行模拟，得到器件的性能参数。
3.基于器件结构的参数提取：通过分析异质结双极晶体管的结构特点和材料特性，建立器件的物理模型，得到器件的性能参数。
四、异质结双极晶体管的应用及发展前景异质结双极晶体管在射频微波领域有广泛的应用，如放大器、振荡器、开关等。
由于其具有较高的工作频率、较低的噪声系数和较低的功耗等特点，异质结双极晶体管在无线通信、雷达、卫星通信等领域有重要的应用价值。
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。
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。
17 第三章 异质结双击晶体管
与同质PN结一样，在有外加偏压的情况下，N区和P区费米能 级分开，如果是正向偏压，则N区费米能级相对P区费米能级 上移qV；对于反向偏压－VR，N区费米能级相对P区费米能级 向下移动qVR。
三 HBT放大的基本理论
Physics of Semiconductor Devices
这种器件用N-AlxGa1-xAs作为发射区，用P-GaAs作为基区， 用N-GaAs作为集电区。
Physics of Semiconductor Devices
2、 InGaAs HBT
同InP晶格匹配的III-V族化合物半导体包括In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As。
In0.53Ga0.47As的禁带宽是0.75eV。 In0.52Al0.48As的禁带宽度是1.5eV ，而InP
热平衡异质结GaAs-AlxGa1-xAs
电中性要求：
Physics of Semiconductor Devices
Naxp=Ndxn
Na xp=Nd xn
P侧N侧耗尽层宽度分别为：
Physics of Semiconductor Devices
热平衡N-AlxGa1-xAs/GaAs异质结能带图
与化合物异质结器件相比这类器件由于采用成熟的硅工艺工艺简单可靠价格便宜机械和导热性能良好并且可以在同一衬底上集成电子器件和光电子器件
Physics of Semiconductor Devices
§3.13~3.14
异质结双极晶体管
Heterojunction Bipolar Transistor
Physics of Semiconductor Devices
的禁带宽度是1.35eV。用In0.53Ga0.47As作为基区而InP或In0.52Al0.48As作为 发射区构成的HBT，其主要是In0.53Ga0.47As中的电子迁栘率很高；对于本
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四 几类常见的HBT
1、 AlGaAs/GaAs HBT
这类 HDT 的发射区采用 AlxGa1-xAs 材料。 Al( 或 AlAs) 的摩尔分数 x 选择在 0.2左右，高于此值时N型AlGaAs中开始出现深施主，使发射结电容增加， x=0.25时，发射区的禁带宽度比基区的大0.39ev，注入效率可以显著提高。 基 区 采 用 P+-GaAs 材 料 ， 典 型 厚 度 为 0.05~0.1μm， 典 型 掺 杂 浓 度 Na 为 5×1018~ 1×1020 cm-3；集电区通常也采用GaAs材料(N型)。集电区住下 依次为N＋-GaAs埋层和半绝缘GaAs(SiGaAs)衬底。SiGaAs是通过向GaAs 引入深能级杂质(因而费米能级被钉扎在禁带中央)而获得的。这类HBT的 一个重要优点是： AlxGa1-xAs/GaAs材料体系可以有良好的晶格匹配；其 次，由于采用半绝缘衬底，器件之间容易隔离和互连器件或互连线同衬 底之间的电容可以忽略。此外，用来制作激光器、发光二极管、光探测 器等光电于器件。
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禁带宽为 1.424eV，晶格常数为 0.56533nm；当 x=1 ，材料为 AlAs，
一 平衡异质结
亲和势（不同） 功函数（不同）
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亲和势
功函数
导带能量差就是 亲和势
禁带宽度不同
价带能量差：禁带宽度差减去 导带能量差
没有形成异质结之前的分离能带图
1、基区不容易穿通，从而厚度可以做得很小，即它可使器件尺 寸缩小；
2、基区电阻可以显著降低，从而提高振荡频率；
小结
3、基区电导调制不明显，从而大电流密度时电流增益不会明显 下降； 4、基区电荷对输出电压 ( 集电结电压）不敏感，从而发射结耗 尽层电容大大减小，器件的电流放大-截止频率ωT提高。
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同质结与异质结
由禁带宽度相同、导电类型不同或虽导电类型相同但掺杂 浓度不同的单晶材料组成的晶体界面称为同质结。 禁带宽度不同的两种单晶材料一起构成的晶体界面称为异 质结。
典型III-V族化合物
能带
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2、 InGaAs HBT
同InP晶格匹配的III-V族化合物半导体包括In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As。
In0.53Ga0.47As的禁带宽是0.75eV。 In0.52Al0.48As的禁带宽度是1.5eV ，而InP
区的电流InC ，则共发射极电流增益可以表示为：
是受注入比限制时的最大电流增益
注入比
根据：
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根据：
xE<<LpE、 xB<&aAs基区和N-AlxGa1-xAs发射区的本征载流子浓度
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W.B.肖克莱于1951年提出这种晶体管的概念
70年代中期，在解决了砷化镓的外延生长问题之后，这种晶体 管才得到较快的发展。最初称为“宽发射区”晶体管。其主要 特点是发射区材料的禁带宽度大于基区材料的禁带宽度。
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异质结双极晶体管HBT是指发射区、基区和收集区由禁带宽度不 同的材料制成的晶体管。异质结双极晶体管类型很多，主要有 SiGe 异质结双极晶体管 , GaAlAs/GaAs 异质结晶体管和 NPN 型 InGaAsP／InP异质结双极晶体管, NPN型AlGaN/GaN异质结双极 晶体管等。 异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同，前者的发射极材料 不同于衬底材料，后者的整个材料是一样的，因而称为异质结器
热平衡异质结GaAs-AlxGa1-xAs
电中性要求：
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Naxp=Ndxn
Na xp=Nd xn
P侧N侧耗尽层宽度分别为：
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热平衡N-AlxGa1-xAs/GaAs异质结能带图
件。异质结双极晶体管的发射极效率主要由禁带宽度差决定，几
乎不受掺杂比的限制，大大地增加了晶体管设计的灵活性。
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1、反型异质结：这是指由导电类型相反的两种不同的半导体单 晶体材料所形成的异质结。例如由 p 型锗与 n型砷化镓所形成的 结即为反型异质结，并记为p-nGe-GaAs或记为(p)Ge-(n)GaAs。
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§3.13~3.14
异质结双极晶体管
Heterojunction Bipolar Transistor
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前言：
异质结是由 两种不同的半导体材料形成的PN结。例如：在P型 GaAs上形成N型AlxGa1-xAs。 AlxGa1-xAs是AlAs 和GaAs这两种III-V 族化合物半导体固溶形成的合金，x是在合金中的所占的摩尔 分数。异质结的特性之一是禁带宽度随合金的摩尔分数而变化。
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φ1和φ2分别为GaAs和AlxGa1-xAs区空 间电荷区电势分布
一次积分
kGaAs= k1=13.1, kAsAl=10.06, 对于AlxGa1-xAs有： kAlxGa1-xAs = k2=13.1-3.0x
空间电荷区边界
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的禁带宽度是1.35eV。用In0.53Ga0.47As作为基区而InP或In0.52Al0.48As作为 发射区构成的HBT，其主要是In0.53Ga0.47As中的电子迁栘率很高；对于本
征材料（无杂质散射），其迁栘率是GaAs的1.6倍，是Si的9倍。这类器件
的半绝缘衬底采用掺Fe的InP。
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与同质PN结一样，在有外加偏压的情况下，N区和P区费米能 级分开，如果是正向偏压，则N区费米能级相对P区费米能级 上移qV；对于反向偏压－VR，N区费米能级相对P区费米能级 向下移动qVR。
三 HBT放大的基本理论
Physics of Semiconductor Devices
这种器件用N-AlxGa1-xAs作为发射区，用P-GaAs作为基区， 用N-GaAs作为集电区。 与电子从发射区向基区注入相比，空穴由基区向发射区 注射时，要克服一个附加的能量ΔEV，由于ΔEV的存在， 可以提高晶体管的注射放率。
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禁带宽度差是导带差与价带差的和：
两个概念：
功函数：把一个电子从费米能级移到真空能级所需做的功 亲和势：把一个电子从导带底移到真空能级所需做的功
当两种半导体形成冶金学接触之后，热平衡情况下费米能级恒 等要求P区空穴向N区转移， N区电子向P区转移结果在接触面 附近形成空间电荷区。与同质结相似，在突变结及耗尽近似下， 空间电荷区的泊松方程为：
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五 常见的BHT结构
NPN型GaAlAs/GaAs晶体管结构
1.56eV
1.25eV
0.75eV
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典型的InGaAs/InP 单和双异质结双极型晶体管（SHBT和DHBT）
III-V族化合物的价带包括三个能带，一个重空穴带V1，一个轻 空穴带V2和由自旋-轨道耦合所分裂出来的的第三个能带V3。
砷化镓的能带结构
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AlxGa1-xAs x=0： GaAs x=1： AlAs
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对于0<x<0.45，Γ 方向上的禁带宽度EgΓ 小于X方向和L方向上 的禁带宽度EgX 和EgL， 写作：
对于0.45<x< 1， X方向上的禁带宽度EgX 小于Γ 方向和L方向上 的禁带宽度EgΓ和EgL， 写作：
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可见：
Eg随x增加而增加之外，当x> 0.45 时，由于EgX < EgΓ ，材料由直 接带隙转变为间接带隙；显然x=0时，材料为GaAs，在300K，其 其禁带宽度为2.168eV，晶格常数为0.56606nm。AlxGa1-xAs的晶格 常数随 x 的变比很小，甚至在 x=0 和 x=1 的极端情况，晶格失配仅 为0.1%。晶格常数匹配是形成理想异质结所需的重要条件。
3、Si/Si1-xGex HBT
加入Ge会降低Si的禁带宽度，形成可用于HBT基区的合金。由于Ge和Si的 晶格常数(分别为0.56575和0.54310eV)相差超过4％，SiGe合金的晶格常数将 比和Si的相差甚大，不可能实现晶格匹配；但是，如果合金层的度低于临界 值， SiGe合金和Si之间可以弹性调节，从而不出现晶格失配，这就是所谓 的应变层结构。这类HBT具有很高的注入效率；与化合物异质结器件相比， 这类器件由于采用成熟的硅工艺，工艺简单、可靠，价格便宜，机械和导 热性能良好，并且可以在同一衬底上集成电子器件和光电子器件；