【正文】 式衰減到零 。 （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 ） 導通的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)閉的時間則取決于能如何迅速地通過復合將空穴移除 。 晶體管開關(guān)時最重要的一個參數(shù)是少數(shù)載流子的壽命 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 復合中心 。 雙極型晶體管的頻率響應與開關(guān)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 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)是不同的半導體材料 ， 它們的禁帶寬度差將對 HBT的電流增益造成影響 ， 當基區(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)由不同的半導體材料所構(gòu)成 。 HBT的主要優(yōu)點是發(fā)射效率較高 ， 其應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)字應用上非常受歡迎 。 如在微波應用方面 ， 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)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 46 發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度可寫為 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 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 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 x p ()e x p (0kTENNkTEENN gBEgBgEBE ????? 其中 NE和 EB分別是發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度 ， NC和 NV分別是導帶和價帶底的有效狀態(tài)密度 ， EgE是發(fā)射區(qū)半導體的禁帶寬度 ，NC’、 NV’和 EgB則是基區(qū)半導體上相應的參數(shù) . BBVCBip NkTENNNnn）（＝（基區(qū)）基區(qū)g39。39。20e x p)( ??異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 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 ， 而 p型基區(qū)是以禁帶寬度較窄的 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 。 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 。 因為發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差 ， 共射電流增益可以提到很高 。 而同質(zhì)結(jié)的雙極型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 。 基本 HBT結(jié)構(gòu) 發(fā)射極接觸G a Asn ??A IG aA sn ?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 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 49 Δ EV增加了射基異質(zhì)結(jié)處價帶勢壘的高度 ， 此效應使得 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；高摻雜濃度則可降低基區(qū)的方塊電阻 ， 且基區(qū)可以做得很薄而不需擔心 穿通效應 。 穿通效應是指集基結(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 ， 且增加截止頻率 ，這正是人們期望的特性 。 右圖是 HBT在放大模式下的能帶圖 ， 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 。 發(fā)射極接觸G a Asn ??A IG aA sn ?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 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 50 另一種異質(zhì)結(jié)是硅 /硅鍺 (Si/SiGe)的材料系統(tǒng) ， 此系統(tǒng)有幾項特性在 HBT的應用中非常具有吸引力 。 如同砷化鋁鎵 /砷化鎵 HBT， 硅/硅鍺 HBT也因禁帶寬度差可重摻雜而具有高速能力 。 硅界面具有低陷阱密度的特性 ， 可以減少表面復合電流 ， 確保在低集電極電流時 ，仍可維持高的電流增益 。 另外 ， 可與標準硅工藝技術(shù)相容也是一個深具吸引力的特性 。 最近幾年磷化銦 (InP)系 (InP/InGaAs或 AlInAs/InGaAs)的材料被系統(tǒng)地研究 ， 磷化銦系的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有相當多的優(yōu)點 。 InP/ InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的表面復合 ， 而且 InGaAs的電子遷移率較 GaAs高出甚多 ， 使其具有相當優(yōu)異的高頻表現(xiàn) ， 其截止頻率可高達 254GHz． 此外 ， InP集電極在強電場時比 GaAs集電極具有更高的漂移速率 ， 其擊穿電壓亦比 GaAs集電極高 。 先進的 HBT 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 51 基極區(qū)域也可用緩變分布 ， 以將由發(fā)射阿區(qū)到基區(qū)的禁帶寬度減小 ，圖中虛線顯示緩變基區(qū) HBT的能帶圖 ， 其中存在一內(nèi)建電場 Ebi于準中性基區(qū)內(nèi) ， 導致少數(shù)載流子渡越時間降低 ， 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 ， 導帶上的能帶不連續(xù) Δ EC是我們所不希望的 ， 因為此不連續(xù)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 ． 此缺點可由緩變層和緩變基區(qū)異質(zhì)結(jié)來改善 。 下圖顯示一緩變層加在射基異質(zhì)結(jié)中的能帶圖 ，其中 ΔEC已被消除 ， 緩變層的厚度為 Wg。 先進的 HBT 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 52 右圖是一可控硅器件的橫截面示意圖 ， 是一個四層 pnpn器件 ，由三個串接的 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 。 若另一稱為柵極的電極被連到內(nèi)層的 p2層 ， 所構(gòu)成的三端點器件一般稱為可控硅器件 。 可控硅器件是一種非常重要的功率器件 ， 可用來作高電壓和高電流的控制 ， 使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導通的狀態(tài) ， 反之亦然 。 其工作與雙極型晶體管有密切的關(guān)系 ， 傳導過程皆牽涉到電子和空穴 ，但其開關(guān)機制和結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管不同 ， 有較寬廣范圍的電流 、 電壓控制能力 ， 其額定電流可由幾毫安到超過 5000A， 額定電壓更超過 10000V。 基本特性 ： 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)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 53 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型硅片當作起始材料 (n層 )， 再以一擴散步驟同時形成 p1和 p2層 ， 最后用合金或擴散 ， 在硅片的一邊形成 n2層 。 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)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 54 (1)(2)：器件處于負電阻區(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)ɑ蜷_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 下圖表示基本的 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)電流 Is。 因此 ,pnpn二極管在正向區(qū)域是個雙穩(wěn)態(tài)器件 ,可以由高阻抗低電流的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低阻抗高電流的開啟狀態(tài) ， 反之亦然 . 可控硅器件及相關(guān)功率器件 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 55 雙向可控硅器件是一種在正或負陽極電壓下皆可以開或關(guān)的開關(guān)器件 ， 這使得它在交流應用方面非常得心應手 。 圖 (a)是一個以平面工藝制造 、 具有柵極電極連接到 p2區(qū)域的可控硅器件 ，圖 (b)是沿著虛線切開的橫截面圖 。 雙向可控硅器件 ： 可控硅器件的電流 電壓特性與 pnpn二極管類似 ， 但多了 Ig，當柵極電流增加時 ， 可以降低產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)折的電壓 。 可控硅器件及相關(guān)功率器件 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 56 Thanks for listenin