异质结原理ppt课件.ppt
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1、1,Department of Microelectronics Fudan Xie Haifen,异质结原理及其在高速双极器件中的应用,2,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,3,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
2、质结构1980年用MBE方法制成AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管.,4,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。,介绍,5,介绍,(0.9-2 GHz),(10-25 GHz),(3-40 GHz),(2.4-5.2 GHz),6,异质结的原理掺杂工程-能带工程,分开时能带,N (Ge) P(AsGa),7,形成异质结后的能带,N p,8,同质双极型与异质双极型的比较,能带图比较,9,Si同质结双极晶体管 AlGaAs/ GaAs异质结双极晶体管,掺杂分布比较,10,异质结双极晶体管
3、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,11,异质结双极晶体管的特性分析,渐变异质结及-特性Anderson扩散理论,12,则,结论:同质结中注入比主要取决于区和区的掺杂浓度比,注入比,同质结,13,异质结中注入比,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呈指数关系,结论: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 呈指数关系,14,异质结双极晶体管的特性分析突变异质结及-特性,扩散模型:能量大于 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, cm/s向前运动,这样大大缩短
4、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。,15,突变异质结及-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,结论:总电流与外加偏压呈指数变化关系,16,突变异质结及-特性 热电子模型,扩散模型,17,18,19,共发射极电流增益,异质结的注入比,提高,20,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 Ev .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。,21,发射区-基区异质结的
5、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,22,基区设计,与基区的渡越时间有关,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,结论:,23,HBT应用于开关电路,RB为基区电阻, 降低RB可以缩短开关时间,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
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