先进半导体材料与器件Chapter3

器件Chapter3"/>

先进半导体材料与器件Chapter3

Chapter3 异质结双极晶体管(HBT)

作者： Saint
掘金：
微博：=1&wvr=6&is_all=1
GitHub：github/saint-000
知乎：

一.HBT的基本结构
二.HBT的增益
三. HBT的频率特性
四. 先进的HBT

一.HBT的基本结构
异质结双极晶体管- Heterojunction bipolar transistor(HBT)：指晶体管中的一个或两个pn结由不同的半导体材料所构成。

它是一种双极晶体管 存在至少一个异质结;如果两个PN结都是由异质结组成，那么这种晶体管也称为双异质结双极晶体管（DHBT）。

同质双极型晶体管
双极型晶体管又称三极管。电路表示符号：BJT。根据功率的不同具有不同的外形结构。
基本结构

由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成，根据排列方式的不同可分为NPN型和PNP型两种,每个PN结所对应区域分别称为发射区、基区和集电区。
BJT是非线性元件，其工作特性与其工作模式有关： 当EB结和CB结均加正偏时,BJT处于饱和模式; 当EB结加零偏或反偏、CB结加反偏时,BJT处于截止模式。

当EB结加正偏, CB结加反偏时,BJT处于放大模式; BJT主要用途是对变化的电流、电压信号进行放大，饱和模式和截止模式主要用于数字电路中。

异质结双极晶体管（HBT）
——宽带隙发射区
突变结
特点：
在发射结处，导带出现势垒，阻碍电子从发射区向基区的注入，这就降低了发射结注入效应。在高速工作还是有好处，越过势垒注入到基区的电子速度较大。
缓变结
特点：
在异质结处，带边的具体情况依赖于掺杂的分布和组分的分别。能减小导带势垒，避免在导带出现尖峰。
异质结双极晶体管（HBT）
——缓变基区
高的空穴电导率保证了价带足够平坦，带隙的偏移建立了大小为Δ Eg/Wb的导带能量梯度。 准电场漂移场增大2～5倍
异质结双极晶体管（HBT）
——宽带隙集电区
阻止空穴从基区向集电区注入，减小饱和储藏电荷密度，加快偏压在饱和区时器件的关闭速度。增加了击穿电压。
对于拥有宽带隙发射区和集电区的双异质结晶体管(DHBT)，避免在集电结处形成导带势垒是很关键的。

二. HBT的增益

1.理想HBT的增益
2.考虑界面复合后HBT的增益
3.HBT增益与温度的关系

1.理想HBT的增益
假设HBT的发射区宽禁带材料是半导体1，基区窄禁带材料是半导体2，那么以Npn管为例，当基区输运系数τb接近1时，共发射极电流增益可以表示为：

其中发射结注入效率可求得，推出共发射极电流增益，发射区和基区的少数载流子浓度。

与同掺杂分布的同质结晶体管BJT相比，β之比：

2.基区高掺杂
基区不容易穿通
基区电阻降低，fmax增加
基区导电调制不明显，电流增益下降也不明显
基区电荷对集电结电压不敏感，Early电压明显增大
发射区低掺杂 发射结耗尽层电容减小，fT提高

3.HBT增益与温度的关系
环境温度的改变：器件内部物理参数；
自热效应：功耗引起自升温
在大集电极电流下，电流增益随温度的增加而减小，且电流增益的温度系数为负

三. HBT的频率特性

1.最大振荡频率
2.开关时间

四. 先进的HBT

1.Si-SiGe HBT
2.III－V族化合物HBT

硅基HBT
•可用成熟的Si工艺；
•可提高改变Ge的含量来调制SiGe基区的禁带宽度和加速场。
MBE、LRP、UHV/CVD.

SiGe HBT与全Si晶体管相比较
1.fT较高，特别是在基区Ge含量缓变的情况下。
2.对于给定的电流增益，HBT的基区掺杂浓度较高，这可减少基区电阻，从而提高fmax，降低Johnson噪声，减小电流集边效应。
3.厄利（Early）电压较高。
4.基区穿通电压较高。

2.III－V族化合物HBT器件
AlGaAs/GaAs HBT 典型的器件截面和层结构图
III－V族化合物HBT器件：AlGaAs/GaAs HBT
晶格匹配很好
材料外延技术成熟
带隙差异可以很大
电子迁移率很高
速度过冲效应明显
衬底的半绝缘性好
有利于光电集成

HBT工艺发展方向：
1.制备自对准结构。2.选择性湿法腐蚀。

InGaAs/InPHBT
1.InGaAs电子迁移率更高
2.InPHBT的衬底导热性好
3.有利于光纤通讯应用的光电集成

HBT的新发展
双异质结双极晶体管（DHBT ）
GaAsSb基区的InPHBT
MHBT
宽禁带半导体SiC、GaN基HBT

宽禁带半导体GaN基HBT

HBT/HEMT集成电路