第四章异质结双极型晶体管ppt课件
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。
24
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。
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。
《双极型晶体管》课件
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
《双极型晶体管》课件
双极型晶体管的种类
种类
根据结构和工作原理的不同，双极型晶体管可分为NPN型和 PNP型两大类，每种类型又有多种不同的器件结构和用途。
应用领域
双极型晶体管广泛应用于电子设备、通信、计算机、家电等 领域，作为信号放大、开关、稳压、震荡等电路的核心元件 。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
基极电流（Ib）
封装与测试
封装形式
双极型晶体管有多种封装形式，如TO-92 、TO-220等，根据应用需求选择合适的 封装形式。
VS
测试方法
对双极型晶体管进行电气性能测试，如电 流放大倍数、集电极电阻等，以确保其性 能符合要求。
05
双极型晶体管的展望
新材料的应用
硅基材料
继续优化硅基双极型晶体管性能，探索更高 频率、更高功率密度和更低噪声的晶体管。
01
导通状态
当基极输入足够大的电流时，晶体 管进入饱和导通状态。
开关速度
晶体管在导通和关断状态之间切换 的速度。
03
02
关断状态
当基极输入负偏置电压或无电流时 ，晶体管处于截止状态。
延迟时间
从基极输入信号到晶体管完全导通 所需的时间。
04
03
双极型晶体管的应用
放大器
总结词
双极型晶体管具有电流放大作用，是放大器中的核心元件。
工作原理
双极型晶体管利用电子和空穴两种载 流子参与导电，通过控制基极电流来 调节集电极和发射极之间的电流，实 现信号放大、开关等作用。
双极型晶体管的结构
结构
双极型晶体管由半导体材料制成，通 常采用NPN或PNP结构，由三个区域 （基区、集电区和发射区）和三个电 极组成。
1双极性晶体管的结构及类型-PPT课件
IC 则有 IE
Home
I nC 根据 IE=IB+ IC IC= InC+ ICBO IE 且令 ICEO= (1+ ) ICBO （穿透电流）
又设 1
I IC ICEO C I I 时 ， 则 当 C CEO IB I B
是共射直流电流放大系数，同样，它也只与管子的结 构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1
当输入为变化量（动态量）时，相应的电流放大倍数为 交流电流放大倍数： I I C , C,一 般 , ,使 用 时 不 加 I I E B
（1）输入特性曲线
图1.3.5
iB Rb b +
3. 晶体管的共射特性曲线
c+ iC Rc VCC
iB=f(vBE) vCE=const
（3）晶体管的电流分配关系
根据传输过程可知 IE=IB+ IC IC=.3.4晶体管的电流分配关系
传输到集电极的电流 I nC 设 发射极注入电流 IE
通常 IC >> ICBO
为共基直流电流放大系数，它只
与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关， 与外加电压无关。一般 = 0.90.99
iC /m A
T= 60 C T= 20 C
o o
图1.3.16
v C E /V
6. 光电三极管
光电三极管依照光照的强度来控制集电极电流的大小， 其功能等效于一只光电二极管与一只晶体管相连。如图所 示。
c
iC /m A
c
E4 E3 E2
e
图1.3.17
e
图1.3.18
E1 E= 0
v C E /V
双极型晶体管PPT演示课件
1. 共基极电流放大系数---α 0表示
o
IC IE
IC ICBO IE
InC IE
<
1
o
I nC IE
InE IE
InC InE
A. γ：发射效率
InE IE
InE InE IpE
1
IpE
I
nE
1
B. β*基区输运系数：
InC InE IVB 1 IVB
正偏
n
p
Wb
反偏
n
IVB
8
3. 电流(载流子)输运关系
忽略复合
A. 通过发射结(发射极)电流： IVB
发射区注入到基区的电子 流---用ＩnE表示； 基区注入到发射区的空穴 流---用ＩpE表示。
流过发射结总电流(发射极流入的总电子流)---ＩE表示，忽略 发射结空间电荷区复合，为： IE = InE + IpE
所以，如将基极电流IB作为输入信号，集电极电流IC作为输出信号，则晶体
管实现了电流放大。
另外，晶体管的正偏发射结电阻远远小于反偏集电结的电阻。这样，输出回 路负载电阻可以很大。因此，晶体管具有电压放大和功率放大的能力。
11
二、电流放大能力分析
用电流放大系数(电流增益)表征。 通常有共基极和共射极电流放大系数。
第二章 双极型晶体管
*双极晶体管基本结构与原理； *双极晶体管直流放大特性； *双极晶体管频率特性； * 异质结双极晶体管(HBT)；
1
双极型晶体管:
电子和空穴二种极性载流子同时参与输运的具有电流和功率放大能力的 三端半导体器件，通常简称晶体管。
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。
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图4.5 npn HBT中的载流子输运示意图
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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
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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
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
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化合物半导体器件
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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：
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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）
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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
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化合物半导体器件
4.4 先进的HBT
N N E Bexp E gE k 0T E gB N N E Bexp k0 E T g
图4.2 (b) 渐变发射结HBT的能带图
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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(EBCd)
1
fmax
2
fT
fC
1 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；
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
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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：
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化合物半导体器件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.3 HBT的频率特性
4.3.2 开关时间τb
b
W
2 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 )
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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
若ΔEg=0.2eV，与相同掺杂(NE/NB相同）的BJT相比，则 HBT的β提高了2191倍
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化合物半导体器件
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：
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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
1
fmax
1 2
fT
1
fC 2
8R fTbCc
2
fT
1
2(EBCd)
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。
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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
1JpE JnE
1D DE BW W B En pB E00 1D DB EW W E BN NE B
N N E Bexp E gE k 0T E gB N N E Bexp k0 E T g
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
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。
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HBT的典型结构图
化合物半导体器件
• 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：
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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：
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化合物半导体器件
4.1 HBT的基本结构
4.1.34 缓变发（射渐结变、）缓HB变T基区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
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
微电子学院 戴显英
2013.9
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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
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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
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