异质结原理

The Booming of Wireless and Broadband World from Y2K
Why using SiGeC i.s.o. SiGe? Carbon can suppress boron TED to reduce boron out-diffudion into poly-emitter and collector below.
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突变异质结及Ｉ 突变异质结及Ｉ-Ｖ特性
热电子模型
qVa2 qV a1 qVD2 kT J = qxND2 exp − ⋅ exp − exp − 2πm kT kT kT
1 2
Dn1Dn2 qVa 2 qV a1 qVD2 J = qx exp − ⋅ exp − exp − LN1 kT kT kT
E g − 2 kT
(m p m n )
3 )2
3 4
h3
exp
指 数 关
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∆Ｅｇ呈指数关系
j n1 Dnl LP 2 (m p1mn1 N D2 = ⋅ exp ( E g 2 − E g1 ) / kT 3 N j p2 D p2 A1 Ln1 (m p 2 mn 2 ) 2
[
]
系
j n1 N D2 ∝ exp( ∆E g / kT ) j p2 N A1
论 ： 异 质 结 双 极 晶 体 管 的 注 入 比
结
Fra Baidu bibliotek
∆E g 13
异质结双极晶体管的特性分析 突变异质结及Ｉ 突变异质结及Ｉ-Ｖ特性
扩散模型： 扩散模型：能量大于 qVD2 的电子以扩散方式 向窄带区运动. 向窄带区运动 热电子发射模型：电子以热电子发射，发射速 热电子发射模型：电子以热电子发射， 运动, 向前运动， 度 运动 V = 107 −108 cm/s向前运动，这样大大 向前运动 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， 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。 以隧道方式穿过势垒进入基区。
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， 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， 异质结考虑：异质结能带断续，能带渐变 及各种复合
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异质结双极晶体管的特性分析
渐变异质结及Ｉ Ｖ 渐变异质结及Ｉ-Ｖ特性Anderson扩散理论
j nl
=
qD n 1 n 10 L n1
21
基区设计
f T 与基区的渡越时间有关
τ B = W 2 B / 2 DB
DB = µkT / q
结论: 结论 1.选择迁移率高的材料作基区 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 减少基区宽度,从而减少渡越基区时 减少基区宽度 间
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HBT应用于开关电路
RB 5 + (3CC + C L ) RL τ s = R B CC + 2 RL
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突变异质结及Ｉ 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
qVa2 J ∝ exp kT
结论： 结论：总电流与外加偏 压呈指数 指数变化关系 压呈指数变化关系
J = qx
D n1 D n 2 qV a 2 qV a 1 qV D 2 exp − ⋅ exp − exp − LN1 kT kT kT
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SiGe/Si异质结特点
Si/ Si Ge异质结结构特性可以大大提高晶 异质结结构特性可以大大提高晶 格匹配，载流子的迁移率、 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 ,所以 Si 所以 Ge用于 用于SiGeHBT的应用展望：高频、高 的应用展望： 用于 的应用展望 高频、 光电、 速、光电、低温等器件及集成电路大大 提高它们的性能。 提高它们的性能。
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发射区、 发射区、基区和集电区掺杂浓 度的选择
发射区掺杂浓度为10 发射区掺杂浓度为 17cm-3 基区掺杂浓度在10 基区掺杂浓度在 18—1019ｃｍ-3 收集区的浓度为10 收集区的浓度为 16ｃｍ-3 ＥＣ的欧姆接触区浓度要大于 的欧姆接触区浓度要大于10 ＥＣ的欧姆接触区浓度要大于 18ｃｍ-3
4
介绍
(10-25 GHz)
(0.9-2 GHz)
(2.4-5.2 GHz) (3-40 GHz)
5
异质结的原理 掺杂工程--能带工程
分 开 时 能 带
EC1 E F1 EV 1 ∆ EV E g1 qχ1 W1 ∆EC Ec2 W2 Eg2 EF 2 EV 2
6
N (Ge)
能
P(AsGa)
qχ
集电区的设计
τＣ=ＷC /2Vs+Ｃc(ＲＥ+ＲＣ) Ｗ Ｃ Ｒ Ｒ 减小集电结电容:减少基区欧姆接触区面积和 减小集电结电容 减少基区欧姆接触区面积和 缩短发射区到基极接触的间距 . 自对准工艺形成基区的欧姆接触区.为保证一 自对准工艺形成基区的欧姆接触区 为保证一 定的击穿电压和减小Ｃ 收集区采用较低掺杂 定的击穿电压和减小ＣＣ,收集区采用较低掺杂 浓度. 浓度
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SiGe HBT的发展
1986年，用UHV/CVD技术，SiGe器件 年 技术， 技术 器件 1987年,第一个器件性能的 第一个器件性能的SiGeHBT 年 第一个器件性能的 1988 年，用MBE方法生长 方法生长SiGeHBT 方法生长 1989年， UHV/CVD技术 技术SiGeHBT，基区 组分 年 技术 ，基区Ge组分 渐变，多晶发射极的SiGeHBT 渐变，多晶发射极的 1990年fT=75GHz,SiGeHBT 年 1992, SiGeHBT CMOS工艺 工艺1994商用化产品 工艺 商用化产品 1998 德国 德国TEMIC 工业化的 工业化的SiGeHBT 工艺。 工艺。 IBM(Blue Logic BiCMOS 5HP工艺（SiGeHBT和 工艺（ 工艺 和 27 3.3V0.5umCMOS结合。 结合
qD
P 2
exp
exp
qV a kT
qV a kT
− 1
− 1
j P 2 =
Lp
p 20 2
qDn1n10 qDP2 p20 qVa j = jnl + j P2= + exp −1 Ln1 Lp2 kT
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注入比
j n1 D nl L P 2 n10 D nl L P 2 n 21i n 20 = = j p2 D p 2 L n1 p 20 D p 2 L n1 p10 n 2 2i
3
介绍
HBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、 HBT应用于微波振荡器、低噪声放大器、功率放大 应用于微波振荡器 信号混合器、分频器、MMIC、T/R组件 组件、 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、 GPS)以及微波 定位系统GPS)以及微波、毫米波的军用通信等领 域。
扩散模型
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Ic
I int.E I SCR,E
I int.B
I SCR.B I bulk Ev
IP
I ES
发射区 基区
I BS
IC
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I E = I nE + I sr + I p
I B = I P + IVr + I sr + I fr + I tr = I P + I sr + I br
Ic = I E − I B = I nE − I br
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HBT应用展望
GaAsHBT存在的主要问题：目前单品直 存在的主要问题： 存在的主要问题 径还不能做得很大，机械强度不好， 径还不能做得很大，机械强度不好，容 易碎片；热导率低， 易碎片；热导率低，只有硅材料的三分 之一。 之一。 工艺上与Si工艺不相容 工艺不相容， 工艺上与 工艺不相容，电路的成本高 SiGeHBT的应用展望：高频、高速、光 的应用展望： 的应用展望 高频、高速、 电、低温等器件及集成电路
n1i = n2i
,则
同质结
结论：同质结中注入比 结论： 主要取决于ｎ区和ｐ 主要取决于ｎ区和ｐ区 的掺杂浓度比
j n1 Dn L P N D 2 = j p 2 D p Ln N A1
N D 2 / N A1
12
与
异质结中注入比
ni = 2 ( 2 π kT )
3 2
发 射 呈 区 和 基 区 的 禁 带 宽 度 差
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共发射极电流增益
IC I nE − I br β= = I B I p + I sr + I br I nE β max = IP
提高 β
I br
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（ 不同材料晶格常数应尽量接近（减少在 界面处产生的位错、 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 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， 材料的禁带宽度之差，导带和价带的断 续量，材料迁移率。 续量，材料迁移率。
2
δ1 1 δ
δ2 δ2
形成异质结后的能带
N
真 空 能 级
p
qχ
2
Ec2 qχ1 W1 V D1 EC1 E F1 EV 1 ∆EV
VD 2
∆EC
W 2
EV 2
7
同质双极型与异质双极型的比较 同质双极型与异质双极型的比较
能带图比较
8
掺杂分布比较
Si同质结双极晶体管 同质结双极晶体管 AlGaAs/ GaAs异质结双极晶体管 异质结双极晶体管
RB为基区电阻, 降低 B可以缩短开关时间 为基区电阻 降低R
qW B τB = µ ( E g1 − E g 2 )
2
E g1 − E g 2 E = qW B
基区还可以采用带隙渐变基区结构.调整二元系或多元 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 系基区组分 使禁带宽度发生变化,产生的附加电场减小 使禁带宽度发生变化 23 了少子在基区的渡越时间. 了少子在基区的渡越时间
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Emitter electrode Base electrode 0.43µm 0.26µ m SiGe intrinsic Base
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SiGeHBT特点
Si Ge有 具有异质结结构 有 在工艺上与 Si器件相容 器件相容 具有Si器件的 低成本” 器件的“ 具有 器件的“低成本”, 具有异质结结构的“高性能” 具有异质结结构的“高性能”。 很多人认为 Si Ge不仅可以在高频领域战 不仅可以在高频领域战 胜 Si,而且可以在低成本方面战胜 GaAs 而且可以在低成本方面战胜
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 的应用 展望
2
介绍
1951年 ,Schokley提出了宽禁带材料作晶体管 1951 年 ,Schokley 提出了宽禁带材料作晶体管 发射结的原理. 发射结的原理. 1957年,H.Kroemer：若发射区材料的禁带宽度 1957年 ,H.Kroemer： 大于基区的禁带宽度, 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 异质结双极晶体管. 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 AlGaAs/GaAs异质结构 1980年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs异质结双极 年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs 1980年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs异质结双极 晶体管. 晶体管.
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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 频率特性的提高, 频率特性的提高 面积,减少发射区的掺杂浓度 减少发射区的掺杂浓度.发射区掺杂 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 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 因此,要与发射区的 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 发射结大的 要设法实现理想的组分 渐变,保证 保证HBT的电流增益 对于突变结 的电流增益.对于突变结 渐变 保证 的电流增益 HBT,选择大的的发射结材料组合 选择大的的发射结材料组合