异质结原理知识讲解

分 开 时 能 带 EC1
E F1 EV 1
N (Ge) 真 空 能 级 P(AsGa)
q1
W1
EC
1 1 E g1
q 2
E c2 W2
Eg2
EV
22
EF2 EV 2
6
形成异质结后的能带
N
q1
EC1 E F1 EV 1
W1 V D1
p
真空能级
q 2
W2 EC
E c2
EV
VD2
EV 2
7
同质双极型与异质双极型的比较 能带图比较
扩散模型
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Ic
I SCR,E
I int.E
I int.B
I SCR.B
I bulk Ev
IBS
IP IES
发射区 基区
IC
17
IE InEIsrIp I B I P I V I r s r I f r I t rI P I s r I br Ic IEIBIn E Ibr
18
共发射极电流增益
介绍
1951年,Schokley提出了宽禁带材料作晶体管 发射结的原理. 1957年,H.Kroemer：若发射区材料的禁带宽度 大于基区的禁带宽度,可获得很高的注入比 1972 年 ,Dumke 利 用 液 相 外 延 方 法 制 成 了 AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管. 1978 年 Bell 实 验 室 利 用 MBE 获 得 了 调 制 掺 杂 AlGaAs/GaAs异质结构 1980年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs异质结双极 晶体管.
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基区设计
fT 与基区的渡越时间有关
BW2B/2DB
DBkT/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
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HBT应用于开关电路
s5 2RBC CR R B L(3C CC L)RL
RB为基区电阻, 降低RB可以缩短开关时间
B
qW2B
(Eg1 Eg2)
E Eg1 Eg2 qWB
jn1 jp2
N ND A12exp(Eg/kT)
呈 指 数 关 系
与 发 射 区 和 基 区 的 禁 带 宽 度 差
结 论 ： 异 质 结 双 极 晶 体 管 的 注 入
比
E13g
❖
异质结双极晶体管的特性分析 突变异质结及Ｉ-Ｖ特性
扩散模型：能量大于 qVD2 的电子以扩散方式 向窄带区运动. 热电子发射模型：电子以热电子发射，发射速 度 运动, V107108 cm/s向前运动，这样大大
缩短在基区的渡越时间 . 隧道模型：电子没有到达越过尖峰的能量时， 以隧道方式穿过势垒进入基区。
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突变异质结及Ｉ-Ｖ特性
扩散模型
加正向偏压后的理想突变异质结能带图
若正向偏置时
J expqVa2
kT
结论：总电流与外加偏 压呈指数变化关系
J qD x n 1 D n 2ex q p D V 2ex qa p 2 V ex q p a V 1
Ln1
kT
jP2qD L P2p 2 p20exp q kV a T1
jjn ljP 2qL n D 11 n1 n 0qL P D 22 pp 20 exq kp aV T 1 1 1
注入比
jn1D nlLP 2n10 D nlLP 2n21 i n20 jp2 D p2L n1p20D p2L n1p10 n22i
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发射区-基区异质结的 设计考虑
HBT频率特性的提高, 依赖于减少发射结 面积,减少发射区的掺杂浓度.发射区掺杂 浓度的减小虽然使发射结电容降低了,但 是增加了发射区电阻,因此,要与发射区的 厚度等结合起来考虑 。
发射结大的HBT,要设法实现理想的组分 渐变,保证HBT的电流增益.对于突变结 HBT,选择大的的发射结材料组合
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掺杂分布比较
Si同质结双极晶体管 AlGaAs/ GaAs异质结双极晶体管
9
异质结双极晶体管的特性分析
载流子运输模型 扩散模型，热电子发射模型，隧道模型 异质结考虑：异质结能带断续，能带渐变 及各种复合
10
异质结双极晶体管的特性分析
渐变异质结及Ｉ-Ｖ特性Anderson扩散理论
q jnl
D n1n10exp qV a 1
L N 1
kT kT
kT
15
突变异质结及Ｉ-Ｖ特性
热电子模型
1
Jqx D 2N 2 k m T 2ex q p kD V 2 Tex qkp aV 2 Tex q p ka V 1 T
JqD x n 1 D n 2ex qp D V 2ex qa p 2 V ex qpa V 1
L N 1
kT kT kT
n,则
1i
n2i
同质结
结论：同质结中注入比 主要取决于ｎ区和ｐ区
jn1 Dn LP ND2 jp2 Dp Ln NA1
的掺杂浓度比
ND2/NA1
12
异质结中注入比
3
3
ni
2(2kT)2(mpmn)4 exp Eg
h3
2kT
3
异质结双极晶体管的注入比与发射区和基区的禁带宽度差ΔＥｇ呈指数关系
jjp n12D Dp n2lLP2(mp1mn1)2 3N ND A1 2ex(E pg2Eg1)/kT Ln1(mp2mn2wenku.baidu.com2
异质结原理及其在 高速双极器件中的应用
Department of Microelectronics Fudan Xie Haifen
1
异质结原理与其在高速双极器件中 的应用
➢ 介绍 ➢ 异质结的原理 ➢ 异质结及双极晶体管的特性分析 ➢ 异质结双极晶体管的材料结构设计 ➢ HBT的应用 ➢ 展望
2
IC InEIbr
IB IpIsrIbr
max
I nE IP
提高
Ibr Isr
异质结的注入比 I nE IP
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异质结双极晶体管的材料结 构设计
要求 不同材料晶格常数应尽量接近（减少在 界面处产生的位错、缺陷导致的载流子 复合要获得高增益,发射区与基区的材料 组合要有大的 ΔEv . 异质结材料的热膨胀系数的一致性 材料的禁带宽度之差，导带和价带的断 续量，材料迁移率。
3
介绍
HBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、功率放大 器、信号混合器、分频器、MMIC、T/R组件、全球 定位系统GPS)以及微波、毫米波的军用通信等领 域。
4
介绍
(0.9-2 GHz) (2.4-5.2 GHz)
(10-25 GHz)
(3-40 GHz)
5
异质结的原理 掺杂工程--能带工程
❖
基区还可以采用带隙渐变基区结构.调整二元系或多元
系基区组分,使禁带宽度发生变化,产生的附加电场减小
了少子在基区的渡越时间.