第十三讲——异质结双极型晶体管

第十三讲——异质结双极型晶体管 l HMET 和 HIGFET 的伏安模型 （12 讲的继续） 直流模型 ——非速度饱和 ——速度饱和 小信号线性等效电路 高频极限——ωＴ，ωｍａｘ l 双极结晶体管（BJT） 单质结 BJT 的复习：伏安特性 小信号线性等效电路 高频特性 l 异质结双极型晶体管（HBT） 历史回顾：Shockley 和 Kroemer, 动机 异质结影响的系统回顾： ——发射极 ——基极 ——集电极 总结-将其放在一个器件中
再定义发射极饱和电流，IES，和正向 α，αＦ： 由这些定义，我们有： 解基极电流得： 最后，我们注意到通过定义正向 β，βＦ，可以很方便的联系 ｉＢＦ 和 iＣＦ： BJT 特性的 Ebers-Moll 模型（续） 同样，对逆向部分，我们得到： 其中，我们做了类似的定义：
综合正向和逆向部分，我们得到完全特性公式：
——发射极 ——基极 ——集电极
发射极问题： 在单质结晶体管中，基极的支线电导受掺杂级和基极宽度的限制。可以通过提高基极的
掺杂级来提高它，但这会对发射极缺陷有负面的影响。 通过一个宽能带隙发射器层，另一个耦合系数被引入发射极缺陷，这减少了对基极进行
重掺杂的需要。 在单质结中：
在异质结中：
注意：我们在第四讲关于异质结的 讨论中已经涉及到了这个问题。
新项：HB=空穴势垒 EB=电子势垒
发射极问题：空穴势垒vs电子势垒 势垒的大小取决于在其中一个能带中是否存在一个尖突起（通常在导带中）
注意：在N-p+结中，所有的带弯曲都在N边。
如果尖突起是一个势垒：HB- EB≈Δ EV 发射极问题：空穴势垒vs电子势垒
如果尖突起薄到成为一个隧道，或者通过对质结中的成份进行梯度处理而得到消除，那 么HB- EB可以显著增大：
发射极问题（续）：宽能带隙集பைடு நூலகம்极的注意点 如果接触面上有一个导带尖突起，宽 能带隙集电极会出现问题。集电极在低逆向偏置下
不工作！！
解决方法是梯度处理基极-集电极接触面 HBT 工艺：一个典型截面
我们将在14讲中详细研究工艺和电路。
双极结晶体管复习
要理解和对 BJT 建模，我们首先要确定：
然后我们还会将表达式重新写成一个对很多应用更方便的形式：
BJT 特性的埃伯斯-莫尔（Ebers-Moll）模型 将问题分解为两个独立的部分，正向和逆向：
对于正向部分，有：
为将上式化为较方便的形式，我们定义发射极和基极缺陷： BJT 特性的 Ebers-Moll 模型（续）
BJT 特性的 Ebers-Moll 模型（续） 我们主要在 BJT 的正向作用区使用他们，即在 VBE>>kT/q 和 VCE<<0 时，此时我们通
常可以忽略电流得逆向部分，将其写为：
我们关心的是 iB 和 iC，有：
其中我们使用了前面定义的正向 β，βＦ。
BJT 特性的 Ebers-Moll 模型（续） 我们对于 BJT 设计的目标是得到较大的正向 β，βＦ。为了理解我们如何做到这一点，
BJT 模型
正向工作区：
VBE>0.6V VCE>0.2V (即 VBC<0.4V) iR 可以忽略 ————————〉 其他区 截止区：
VBE<0.6V 饱和区：
VCE<0.2V
用异质结改进 BJT：综述 历史回顾： 最早的在 BJT 中使用异质结的想法是通过减小发射极缺陷来增加 β。这种可能最
如果尖突起不是一个势垒：HB- EB≈Δ EC+ΔEV=ΔEg 注意：梯度处理不需要重掺杂就可以去除尖突起 发射极问题：基极的掺杂剂扩散 异质结晶体管中的基极通常是重掺杂的，而发射极的掺杂程度较轻。这种情况下，掺杂 剂很容易扩散进入发射极并对其p残杂。这是很有害的：
又成了单质结了！
一种解决方法是引入一个薄的，未掺杂的宽能带隙隔离层。
我们用缺陷，然后用器件参数来表示 β：
上式中我们假设，δＢ＜＜δＥ，此假设在基极宽度很小的情况下一般成立：
从 βＦ 的结果中我们马上可以得到 ＢＪＴ 设计的原则：
Ebers-Moll 正向，VBE>0,VBC=0
设计良好的结构：NDE>>NAB,wE<<LhE,wB<<LeB BJT 特性（npn 型）
早由 Shockley 在他最初的晶体管专利（1950 年）中提出，并且由 Herb Kroemer 在他 1958 年的论文中详细阐述。他在 1980 年的另一篇论文中再次阐述了这个想法，此时研究这个想 法的技术已经实现，此时也是异质结双极型晶体管，HBT ，出现的时候。
要研究 BJT 中的异质结的全部潜能，我们要更宽地研究这个问题。 双极性晶体管主要有三部分，我们要分别研究这三部分：
注意：如果基极太薄，要 对其成分进行梯度 处理会很困难。
冲击注入的一个问题是，如果载流子从电场获得过大的初能量，他们会分散进入更高的 能带并减速。
集电极问题： 基极宽度调制：由于重基极掺杂，不需要考虑 雪崩击穿：InGaAs 基极和集电极的问题 解决方法：宽能带隙集电极 导通/饱和截止：在单质结集电极很重要 解决方法：宽能带隙集电极
发射极问题：利用势垒以有利于冲击注入 冲击注入的概念是，跨越尖突起的载流子会以很高的初速度进入基极：
这会减小基极的通过时间。 问题时如果载流子有过大的初能量，他们会分散进入更高的能带并减速。
基极问题：减小基极电阻 减小基极通过时间
基极电阻： 掺杂程度很重
基极通过时间 使基极很薄 梯度处理基极，建 立一个作用于电子 的电场