【正文】 大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 44 （c）圖 4 . 1 6 晶體管開關(guān)特性. ( a ) 基極輸入電流脈沖。 ( b ) 基極儲存電荷隨時間的變化。 (c)集 電極電流隨時間的變化。 (d)基 極在不同時間的少數(shù)載流子分布CI0t2t（a）（b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0 W0?t1t 和 ? ?3t（d） 導(dǎo)通時間 取決于能如何迅速地將空穴 (pnp晶體管中的少數(shù)載流子 )加入基極區(qū)域 ， 而 關(guān)閉時間 則取決于能如何迅速地通過復(fù)合將空穴移除 。 晶體管開關(guān)時 最重要參數(shù) 是 基區(qū)的少子壽命 τp。 一個有效降低 τp、 使轉(zhuǎn)換變快的方法是 加入接近禁帶中點的產(chǎn)生 復(fù)合中心 ， 使導(dǎo)通時迅速產(chǎn)生少子 ， 關(guān)閉時迅速復(fù)合少子 。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 45 由于 HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)是不同的半導(dǎo)體材料 ， 它們的 禁帶寬度差將對 HBT的電流增益造成影響 ， 當(dāng)基區(qū)輸運系數(shù) αT非常接近 1時 ，共射電流增益可表示為 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 (HBT)是指晶體管中的一個或兩個結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成 。 HBT的主要優(yōu)點是 發(fā)射效率 ?較高 ， 其應(yīng)用基本上與雙極型晶體管相同 ， 但 HBT具有較高的速度 ， 可以 工作在更高的頻率 。 因為其具有這些特性 ， HBT在 光電 、 微波和數(shù)字 應(yīng)用上非常受歡迎 。 如在微波應(yīng)用方面 ， HBT常被用來制造 固態(tài)微波 及 毫米波功率放大器 、 震蕩器 和 混頻器 。 HBT的電流增益 ： 1,111 000 ??????? TTT ??????????異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 46 發(fā)射區(qū) 和 基區(qū) 中的 少子濃度 可寫為 對 npn型 晶體管 ， 將 EpEOLWnpDD0nE11???????? 10代入 可得 EOpEpoEOE pnLWnpDD0n01 ?＝?EEVCEiEO NkTENNNnp ）（＝（發(fā)射區(qū)）發(fā)射區(qū)g2 e x p)( ??異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 發(fā)射區(qū)少子濃度。對于 同質(zhì)結(jié) 晶體管，可通過 重?fù)诫s發(fā)射區(qū) 以減小其數(shù)值 基區(qū)少子濃度。對于 同質(zhì)結(jié) 晶體管，可通過 輕摻雜發(fā)射區(qū) 以增加其數(shù)值 發(fā)射區(qū)禁帶寬度。對于 異質(zhì)結(jié) 晶體管， EgE與 pEO成反比， 增大 EgE使 pEO數(shù)值減小，以增大 ?和 β0 BBVCBip NkTENNNnn ）（＝（基區(qū)）基區(qū)g39。39。20e x p)( ??基區(qū)禁帶寬度。對于 異質(zhì)結(jié) 晶體管， EgB與 np0成反比， 減小 EgB使 np0 數(shù)值增大，以增大 ?和 β0 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 47 因此 ， 由于 HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體材料的不同 ， 它們的禁帶寬度差將對 HBT的電流增益造成影響 ， 且 )e xp()e xp(0kTENNkTEENN gBEgBgEBE ?????異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 注意： 發(fā)射區(qū)為寬禁帶 、 基區(qū)為窄禁帶 半導(dǎo)體材料，才能實現(xiàn)對電流增益的提高。 一般情況下， 異質(zhì)結(jié) 晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差 ΔEg，發(fā)射效率 ?和 共射電流增益 β0可以提到很高。而 同質(zhì)結(jié) 晶體管并無禁帶寬度差存在，必須將發(fā)射區(qū)和基區(qū)的 摻雜濃度比 提到很高，這是 同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管最基本的不同處 。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 48 大部分 HBT 的技術(shù)都是在 AlxGa1xAs/GaAs材料系統(tǒng)中發(fā)展的 ， 右圖是一個基本 npn型 HBT結(jié)構(gòu) 。 n型發(fā)射區(qū) 是以 寬禁帶的 AlxGa1xAs組成 ， 為了形成 歐姆接觸 ， 在發(fā)射區(qū)接觸和砷化鋁鎵層之間加了一層高摻雜濃度的 n+型砷化鎵 。 p+型基區(qū) 是以 窄禁帶的 GaAs組成 。 n型集電區(qū) 和 n型次集電區(qū) 分別以低摻雜濃度和高摻雜濃度的 GaAs組成 。 基本 HBT結(jié)構(gòu) 發(fā)射極接觸G a Asn ??AIGaAsn ?基極接觸G a AsP ??次極電極集電極接觸半絕緣G a A s 襯底n G a A s(a)npn HBT結(jié)構(gòu)的 截面圖示發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CE?VE?( b ) 放大模式下H B T 的能帶圖圖 4 . 1 7異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 發(fā)射極接觸G a Asn ??AIGaAsn ?基極接觸G a AsP ??次極電極集電極接觸半絕緣G a A s 襯底n G a A s(a)npn HBT結(jié)構(gòu)的 截面圖示發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CE? VE?( b ) 放大模式下H B T 的能帶圖圖 4 . 1 7發(fā)射區(qū)和基區(qū)間的能帶差在異質(zhì)結(jié)界面上造成了一個 能帶偏移 。事實上， HBT優(yōu)異的特性是直接由價帶在異質(zhì)界面處的不連續(xù)所造成的。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 49 1. ΔEV增加了射基異質(zhì)結(jié)處 價帶勢壘的高度 ， 此效應(yīng)使得 HBT不必像同質(zhì)結(jié)晶體管那樣必須降低基區(qū)摻雜濃度以保證 發(fā)射區(qū)和基區(qū)較高的 摻雜濃度比 ，HBT可以使用 較高摻雜濃度的基區(qū) ，而同時維持極高的 發(fā)射效率和電流增益 ； 2. 基區(qū)的高摻雜濃度可 降低基區(qū)的方塊電阻 ， 且 基區(qū)可以做得很薄而不需擔(dān)心 穿通效應(yīng) 。 穿通效應(yīng)是指集基結(jié)的耗盡層往基極延伸 ， 最后與射基結(jié)的耗盡層接觸的現(xiàn)象 。 窄基區(qū)寬度可以降低基區(qū)渡越時間 τB ， 且增加截止頻率 ， 這正是人們期望的特性 。 發(fā)射極接觸G a Asn ??AIGaAsn ?基極接觸G a AsP ??次極電極集電極接觸半絕緣G a A s 襯底n G a A s(a)npn HBT結(jié)構(gòu)的 截面圖示發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CE? VE?( b ) 放大模式下H B T 的能帶圖圖 4 . 1 7異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT表現(xiàn)出的性能優(yōu)勢： 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 50 二 、 硅 /硅鍺 (Si/SiGe) 系 異質(zhì)結(jié) ， 此系統(tǒng)有幾項特性在 HBT的應(yīng)用中非常具有吸引力 。 1. 如同砷化鋁鎵 /砷化鎵 HBT， 硅 /硅鍺 HBT也因禁帶寬度差可重?fù)诫s基區(qū)而具有 高速能力 。 2. 硅界面具有低陷阱密度的特性 ， 可以減少 表面復(fù)合電流 ， 確保在低集電極電流時 ， 仍可維持高的電流增益 。 3. 可與 標(biāo)準(zhǔn)硅工藝技術(shù)相容 。 不足之處：與砷化鎵系和磷化銦系 HBT相比 ， 截止頻率低 。 (硅的載流子遷移率較低造成 ) 一 、 磷化銦 (InP)系 (InP/InGaAs或 AlInAs/InGaAs)異質(zhì)結(jié)構(gòu)有相當(dāng)多的 優(yōu)點 。 1. InP/InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的 表面復(fù)合 ， 而且 InGaAs的 電子遷移率 較GaAs高出很多 ， 使 基區(qū)渡越時間 τB大大降低 ， 具有相當(dāng)優(yōu)異的 高頻性能 ，其截止頻率可高達(dá) 254GHz。 2. InP集電極在 強(qiáng)電場時 比 GaAs集電極具有更高的 漂移速率 ， 提高 信號傳輸速度 。 3. InP集電極擊穿電壓亦比 GaAs集電極高 ， 抗擊穿性 能強(qiáng) 。 先進(jìn)的 HBT 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 51 2. 制作 緩變基區(qū) ， 以將由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的禁帶寬度減小 。 將基區(qū) AlxGa1xAs中的 Al的摩爾比率 x由 ~0作線性變化就可以實現(xiàn)緩變基區(qū) 。 其中存在一 內(nèi)建電場 Ebi于準(zhǔn)中性基區(qū)內(nèi) ， 降低少子的基區(qū)渡越時間 τB ， 增加了 HBT的 共射電流增益與截止頻率 。 在前面基本 HBT的能帶圖中 ， 導(dǎo)帶上的能帶不連續(xù) ΔEC迫使異質(zhì)結(jié)中的載流子必須以 熱電子發(fā)射 或 隧穿 的方法才能越過勢壘 ， 因而 降低發(fā)射效率 和 集電極電流 ， 是我們所不希望的 。 此缺點的克服由如下方式達(dá)到： 1. 制作 緩變層異質(zhì)結(jié) ， 消除 ΔEC， 下圖顯示一緩變層加在射基異質(zhì)結(jié)中的能帶圖 ， 緩變層的厚度為 Wg。 先進(jìn)的 HBT 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 52 一個四層 pnpn器件 ， 由 3個串接的 pn結(jié) J J J3組成 。 與接觸電極相連的最外一 p層稱為 陽 極 ，另一邊的 n層稱為 陰極 。 這個沒有額外電極的結(jié)構(gòu)是個 兩瑞點 的器件 ， 被稱為pnpn二極管 。 在 pnpn二極管的基礎(chǔ)上 ， 在內(nèi)層的 p2層上引出第三端電極 ， 構(gòu)成的三端點 器件一般稱為 可控硅器件 。 引出的第三端電極為 柵極 。 可控硅器件的 用途 ： 1. 是一種非常重要的 功率器件 ， 對電流 、 電壓的控制范圍很廣 ， 可控制 高電壓 (額定電壓可超過 10000V)和 高電流 (額定電流超過 5000A)； 2. 用于 開關(guān) 控制 ， 即：使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導(dǎo)通的狀態(tài) ， 反之亦然； 3. 其工作與雙極型晶體管的 相同之處 ：傳導(dǎo)過程皆牽涉到電子和空穴 ， 不同之處 ：開關(guān)機(jī)制和結(jié)構(gòu) 。 基本特性 ： A K1J 2J 3J1p 2p1n 2n2022 2022陽 極 陰 極（ a ） 0?x Wx ?摻雜濃度 VEC CEV)(b)(c圖 4 . 2 2 ( a ) p n p n 二 極 管 ( b ) 可 控 硅 器 件 的 典 型摻 雜 分 布 ( c ) 熱 平 衡 狀 態(tài) 下 可 控 硅 器 件 的 能 帶 圖A K1J 2J 3J1p 2p1n 2nAI KIgIG(b)平面可控硅器件的橫截面圖 4 . 2 6可控硅器件及相關(guān)功率器件 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 53 制作過程： 圖 (b)是一典型的可控硅器件摻雜濃度分布圖 ， 首先選一高阻值的 n型硅片當(dāng)作起始材料 (n層 )， 再以一擴(kuò)散步驟同時形成 p1和 p2層 ， 最后用合金或擴(kuò)散 ， 在硅片的一邊形成 n2層 。 能帶圖： 圖 (c)是可控硅器件在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖；其中每一個結(jié)都有耗盡層 ， 其內(nèi)建電勢由摻雜濃度決定 。 可控硅器件及相關(guān)功率器件 A K 1 J 2 J 3 J 1 p 2 p 1 n 2 n 20 10 20 10 20 10 20 10 陰極 陽極 （ a） 0 ? x W x ? 摻 雜 濃 度 V E C E C E V E ) ( b ) ( c 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 54 (1)(2)：器件處于 負(fù)電阻區(qū) 域 ， 也就是電流隨電壓急驟降低而增加 。 (2)(3)：器件處于 正向?qū)?或開啟狀態(tài) ，具有低阻抗 ， 在點 2處 dV/dI=0， 定義保持電流 Ih和保持電壓 Vh。 (0)(4)：器件處于 反向阻斷 狀態(tài) 。 (4)(5)：器件處于 反向擊穿 狀態(tài) 。 IAKVBFVhVsIhIBRV)0()1()2()3()4()5(正向?qū)ㄕ蜃钄喾聪蜃钄鄨D 4 . 2 3 p n p n 二極管的電流－電壓特性pnpn二極管 電流 電壓特性 ， 其展現(xiàn)出 五個不同的區(qū)域 ： (0)(1)：器件處于 正向阻斷 或是關(guān)閉狀態(tài) ， 具有很高的阻抗；正向轉(zhuǎn)折 (或開關(guān) )發(fā)生于 dV/dI＝ 0；在點 1定義正向轉(zhuǎn)折電壓 VBF和開關(guān)電