第四章异质结双极型晶体管课件.ppt

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1、化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院戴显英2013.9,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,4.1 HBT的基本结构,4.1.1 HBT的基本结构与特点,HBT的能带结构特点： a.宽禁带的e区： 利于提高； 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。HBT的基本结构,图4.1 npn HBT结构的截面图,HBT:Heterojunctiong Bipolar Transistor， 异质结双极晶体管,4.1 HBT的基本结构,4.1.1 HBT的

2、基本结构与特点,HBT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。HBT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。,HBT的典型结构图,4.1 HBT的基本结构,4.1.2 突变发射结HBT,图4.2 (a) 突变发射结HBT的能带图图,器件特点： 基区渡越初始速度高基区输运模型： 弹道式渡越晶格散射的影响：电流增益： 高的Ec： 应小于基区导带的 能谷差EL-E,4.1 HBT的基本结构,4.1.3 缓变（渐变）发射结HBT,图4.2 (b) 渐变发射结HBT的能带图,电流输运：扩散模型发射

3、极电流：发射效率：电流增益：,4.1 HBT的基本结构,4.1.3 缓变（渐变）发射结HBT,频率特性：,E为发射结电容充放电时间；B为渡越基区的时间；C为集电结电容的充放电时间；d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：,4.1 HBT的基本结构,4.1.4 缓变发射结、缓变基区HBT,缓变发射结：缓变基区：自建电场：,4.1 HBT的基本结构,4.1.3 缓变（渐变）HBT,速度过冲；基区渡越时间；电流增益；缓变基区的作用；缓变基区的形成,4.1.4 缓变发射结、缓变基区HBT,4.1 HBT的基本结构,4.1.5 突变发射结、缓变基区HBT,两个重要的影响因

4、素：总的B：EC和EgB要适中：d与EC和EgB的关系 ：电流增益：,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,4.2.1 理想HBT的增益,4.2 HBT的增益,若Eg=0.2eV，与相同掺杂(NE/NB相同）的BJT相比，则HBT的提高了2191倍,共射极：,4.2.2 考虑界面复合后HBT的增益,4.2 HBT的增益,图4.5 npn HBT中的载流子输运示意图,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,4）收集极电流Ic：Ic=In-Ir,3）基极电流Ib：Ib=Ip+Id+Ir,5）共射

5、极增益：=/1-In/Id,6）复合电流的影响：,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(= IC/ IB ) 与集电极电流的关系,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,4.3 HBT的频率特性,4.3.1 最大振荡频率fmax,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。,4.3 HBT的频率特性,4.3.2 开关时间b,例如，AlGaAs/GaA

6、s开关晶体管的b ：比合金扩散结晶体管快5倍比Si BJT快8倍。,减小b的方法：组分渐变的基区（=E ),缓变基区HBT能带,4.3 HBT的频率特性,4.3.3 宽带隙集电区,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）,好处：可阻止空穴从基区向集电区注入；增大了击穿电压；减小了漏电流。,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,4.4 先进的HBT,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

7、HBT的器件结构,4.4 先进的HBT,4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT,图 4.10 Si1-xGex的临界厚度与Ge组分的关系,3、应变Si1-xGex 材料的特性,应变Si1-xGex带隙与组分的关系,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的关系,4.4 先进的HBT,4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT,5、SiGe HBT的频率特性,SiGe HBT与Si BJT的fT与Ic电流关系,4.4 先进的HBT,4.4.2 -族化合物基HBT,1、GaAs系：AlGaAs/GaAs HBT优点：晶格常数接近；即可突变结，也可缓变结。,2、InP系：InGaAs/InP HBT优点：更高的电子速度；较低的发射极-基极开启电压： 适于高速、低功耗电路；较好的噪声特性。,3、InAs系：AlInAs/InGaAs HBT优点：较低的表面复合；n较GaAs系高得多；击穿电压较GaAs系高；集电极比GaAs系具有更高的漂移速率。,