薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析

薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析

第39卷第l期

2006年1月

天津大学学报

JournalofTianjinUniversity

V01.39No.1

Jan.20o6

薄基区异质结晶体管的负阻特性与分析

张世林,李建恒,郭维廉,齐海涛,梁惠来

(大津大学电子信息J程学院,天津300072)

摘要:采用分子束外延方法生长了8nln基区的InGaP—GaAs双异质结材料,研制成具有负阻特性的异质结晶体

管.该晶体管可以集成在高速高频的数字逻辑电路中,大大减少了器件数目.讨论了薄基区负阻异质结晶体管的负

阻特性及其物理机制.器件负阻特性的产生与其结构密切相关,包括导带势垒尖峰和基区宽度负反馈效应.推出了

物理公式,并且使用PSPICE模拟软件建立了电路模型.模拟结果符合制作器件的测量结果. 关键词:异质结晶体管;负阻特性;薄堆区;电路模拟

中图分类号:TN43l文献标志码:A文章编号:0493—2l37(2006)01—010905

NegativeDifferentialResistanceCharacteristicand

AnalysisofThinBaseHBT

ZHANGShi—lin,LIJian—heng,GUOWei—lian,QIHal—tao,LIANGHui—lai

(SchoolofElectronicInformationEngineering,TianjinUniversit~,Tianjin300072,China)

Abstract:InGaP—GaAsthinbase(8nm)dualheterojunctionmaterialisgrownbvmolecularbeamexten sion

(MBE),andaheterojunctionbipolartransistor(HBT)withnegativedifferentialresistance(NDR)chara cteris—

tieisfabrieated.NDRHBTcanheintegratedinhighspeedandhighfrequencydigitallogiccirt?uit,thenu mber

ofdevicescanbereducedgreatly.TheNDRcharacteristicandphysicalanalysisof’thinbaseHBTa repres en—

ted.TheNDRcharacteristicofthisdeviceiScloselyrelativetoitsstructure.includingconduction})ands pike

andbasewidthnegativefeedbackeffect.Thephysicalformulasaregivenandthecircuitmodelisfounded hy

PSPICE.ThesimulatedresultiSclusetothemeasureoutcome.

Keywords:heterojunctionbipolartransistor;negativedifferentialresistancecharacteristic;thinhase;ci rcuit

Simt11atiOn

异质结晶体管(heterojunctionbipolartransistor,

HBT)是利用异质结工作的三端器件.器件结构的主要

特点是其PN结使用小同的材料制作,从l『If在界面七

出现能带的不连续,形成导带势垒尖峰△E对电子的

输运起到阻挡作用.同时,薄基区HBT还具有负阻特

性卜-,称为薄基区负阻异质结晶体管(thinbase

negativedifferentialresistanceheterojunctionbipolartran?

sistor,TBNDRHBT).随着分子束外延(molecularbeam

extension,MBE)技术的发展,晶体管的基区越来越窄,

这就使基区薄层电阻n越来越大,基宽度调变效

应也随之凸现,这样薄基Ix二晶体管的基区电流和电压

收稿日期:2004—1I一30;修回日期:2005—04-30.

基金项目:同家重点荩础研究发展规划金资助项}{(2002CB3l1905) 作者简介:张世林(I953一),硕t,剐教授,zI1.sh.1@ex,rou.eoiii.

分l布宽基区的晶体管有很大不同.j极电流或电

压恒定时,随着集电极电压增大,晶体管工作在线

性区,集电极电流也增大.进一步增大,由于基

区宽度调变效应,R增大,降落在基的电压和发射

结电压也增大,这将导致导带势垒尖峰调制和基

区宽度负反馈两种效应出现.所渭导带势垒尖峰调制

效应,就是随着增大,AE:随之线性增大,阻挡

电子电流,降低发射结注入效率,从mf降低,基区

宽度负反馈效应就是随着增大,基极电流流过的

电压降增大,无源区的而积增大,,减小.继续增大

:,出现基区穿通,急剧上升.所以薄基HBT的

?

110?天津大学学报第39卷第1期

输出特性曲线表现出N型负阻

1器件的设计与制作

1.1负阻HBT的材料结构设计

将器件设计为双异质结结构,所用材料在中科院

物理所采用MBE方法生长,如表1所示.在半绝缘

GaAs衬底上依次生长nGaAs亚集电极层,n掺杂

InGaP集电极层,未掺杂spacer层,PGaAs基区层,未

掺杂spacer层,n—InGaP发射极层,n—GaAscap层和

nGaAscap层.发射区和集电区为si掺杂,基区采用

Be掺杂.基区厚度的误差在4-1%左右,各区掺杂浓度

均为均匀分布,误差在4-5%左右.

可以看出,负阻HBT的结构除了基区宽度很小

(8nm)外.其主要结构与常规的HBT相似.在此选用

InGaP制作发射区可以避免A1GaAs引入DX中心,同

时InGaP还具有表面复合速率低,AE,比AE,大以及

选择腐蚀性高等优点.

表1负阻HBT材料结构