第四章异质结双极型晶体管..
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图4.2 (b) 渐变发射结HBT的能带图
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
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：
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。
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 D W N D W n B E E B E B0 EgE EgB N E Eg NE exp exp NB k0T N B k0T
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：
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 k T N k T 0 B 0
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
4.1.3 缓变发射结、缓变基区 4.1.4 缓变（渐变）HBT 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
Байду номын сангаас
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
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）
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
4.4 先进的HBT
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：
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
化合物半导体器件
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
4.4 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
化合物半导体器件
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。
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
4.1 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
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
化合物半导体器件
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 ①HBT:Heterojunctiong Bipolar Transistor，
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
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
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：
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。
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 D W N D W n B E E B E B0 EgE EgB N E Eg NE exp exp NB k0T N B k0T
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：
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 k T N k T 0 B 0
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
4.1.3 缓变发射结、缓变基区 4.1.4 缓变（渐变）HBT 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
Байду номын сангаас
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
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）
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
4.4 先进的HBT
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：
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
化合物半导体器件
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
4.4 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
化合物半导体器件
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。
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
4.1 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
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
化合物半导体器件
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 ①HBT:Heterojunctiong Bipolar Transistor，
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