单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化合物半导体器件,化合物半导体器件,Compound Semiconductor Devices,微电子学院戴显英,2013.9,化合物半导体器件Compound Semiconduct,1,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,第四章 异质结双极型晶体管HBT的基本结构,2,4.1 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的基本结构与,3,4.1 HBT的基本结构,4.1.1 HBT的基本结构与特点,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4.1.1 HBT的基本结构与,4,4.1 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E,L,-E,4.1 HBT的基本结构4.1.2 突变发射结HBT图4,5,4.1 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,6,4.1 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f,T,的主要因素：,4.1 HBT的基本结构4.1.3 缓变（渐变）发射结,7,4.1 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4.1.4 缓变发射结、缓变基,8,4.1 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4.1.3 缓变（渐变）HBT,9,4.1 HBT的基本结构,4.1.5 突变发射结、缓变基区HBT,两个重要的影响因素：,总的,B,：,E,C,和,E,gB,要适中,：,d,与,E,C,和,E,gB,的关系,：,电流增益：,4.1 HBT的基本结构4.1.5 突变发射结、缓变基,10,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,第四章 异质结双极型晶体管HBT的基本结构,11,4.2.1 理想HBT的增益,4.2 HBT,的增益,若,Eg=0.2eV，与相同掺杂(N,E,/N,B,相同）的BJT相比，则,HBT的,提高了2191倍,共射极：,4.2.1 理想HBT的增益 4.2 HBT的增益若Eg,12,4.2.2 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I,r,（在基区）,2）发射极电流I,e,：,I,e,=I,n,+I,d,+I,p,4）收集极电流I,c,：,I,c,=I,n,-I,r,3）基极电流I,b,：,I,b,=I,p,+I,d,+I,r,5）共射极增益：,=/1-,I,n,/I,d,6）复合电流的影响：,4.2.2 考虑界面复合后HBT的增益 4.2 HBT的增,13,4.2 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(,=,I,C,/I,B,),与集电极电流的关系,4.2 HBT的增益4.2.3 HBT增益与温度的关系图,14,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,第四章 异质结双极型晶体管HBT的基本结构,15,4.3 HBT的频率特性,4.3.1 最大振荡频率f,max,截止频率（特征频率）f,T,：共发射极电流增益为1（0dB)时,的频率,最大振荡频率f,man,：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4.3.1 最大振荡频率fma,16,4.3 HBT的频率特性,4.3.2 开关时间,b,例如，AlGaAs/GaAs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4.3.2 开关时间b 例如,17,4.3 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。,4.3 HBT的频率特性4.3.3 宽带隙集电区 图4.,18,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,第四章 异质结双极型晶体管HBT的基本结构,19,4.4 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 HBT的器件结构,4.4 先进的HBT4.4.1 硅基HBT-SiGe H,20,4.4 先进的HBT,4.4.1 硅基HBT-SiGe HBT,图 4.10 Si,1-x,Ge,x,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HBT4.4.1 硅基HBT-SiGe H,21,4.4 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I,C,-V,BE,SiGe HBT和Si BJT的I,C,、I,B,与V,BE,的关系,4.4 先进的HBT4.4.1 硅基HBT-SiGe H,22,4.4 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f,T,与I,c,电流关系,4.4 先进的HBT4.4.1 硅基HBT-SiGe H,23,4.4 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。,4.4 先进的HBT4.4.2 -族化合物基HBT,24,