微电子器件(5-1)[1].ppt

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1、第第 5 章章 半导体异质结器件半导体异质结器件由两种不同材料所构成的结就是异质结。如果这两种材料都是由两种不同材料所构成的结就是异质结。如果这两种材料都是半导体，则称为半导体异质结；如果这两种材料是金属和半导半导体，则称为半导体异质结；如果这两种材料是金属和半导体，则称为金属体，则称为金属-半导体接触，这包括半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。结和欧姆接触。材料材料1材料材料2半导体异质结可根据界面情况分成三种半导体异质结可根据界面情况分成三种 晶格匹配突变异质结晶格匹配突变异质结；当两种半导体的晶格常数近似相；当两种半导体的晶格常数近似相等时，即可认为构成了第一种异质结，这里所

2、产生的界等时，即可认为构成了第一种异质结，这里所产生的界面能级很少，可以忽略不计。面能级很少，可以忽略不计。晶格不匹配异质结晶格不匹配异质结；当晶格常数不等的两种半导体构成；当晶格常数不等的两种半导体构成异质结时，可以认为在晶格失配所产生的附加能级均集异质结时，可以认为在晶格失配所产生的附加能级均集中在界面上，而形成所谓界面态，这就是第二种异质结。中在界面上，而形成所谓界面态，这就是第二种异质结。合金界面异质结合金界面异质结。第三种异质结的界面认为是具有一点。第三种异质结的界面认为是具有一点宽度的合金层，则界面的禁带宽度将缓慢变化，这时界宽度的合金层，则界面的禁带宽度将缓慢变化，这时界面能级的

3、影响也可以忽略。面能级的影响也可以忽略。5.1.1 半导体异质结的能带突变半导体异质结的能带突变异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带宽度不同，异质结的两边是不同的半导体材料，则禁带宽度不同，从而在异质结处就存在有导带的突变量从而在异质结处就存在有导带的突变量EC和价带的和价带的突变量突变量EV。不考虑界面处的能带弯曲作用时的几种典型的能带突不考虑界面处的能带弯曲作用时的几种典型的能带突变形式变形式 两种材料禁带交叉的情况两种材料禁带交叉的情况Ec=EC1-EC20Ev=EV2-EV10,EG=EG1-EG2=EC+EV；两种材料禁带错开的情况两种材料禁带错开的情况EC0EV0EG=EG1-E

4、G2=EC+EV；禁带没有交接部分的情况禁带没有交接部分的情况EC0EV0EG=EG1-EG2=EC+EV。能带突变的应用例子：能带突变的应用例子：（a）产生热电子）产生热电子（b）使电子发生反射的势垒）使电子发生反射的势垒（c）提供一定厚度和高度的势垒）提供一定厚度和高度的势垒（d）造成一点深度和宽度的势阱。）造成一点深度和宽度的势阱。(a)(b)(c)(d)不考虑界面态时，不考虑界面态时，突变反型异质结能带图突变反型异质结能带图。突变异质结是指从一种半导体材料向另一种半导体材料突变异质结是指从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原子距离范围内的半导体异质结的过渡只发生在几个原

5、子距离范围内的半导体异质结。在未形成异质结前，在未形成异质结前，p型半型半导体费米能级与导体费米能级与n型半导体型半导体费米能级不在同一水平费米能级不在同一水平当紧密接触形成异质结时，当紧密接触形成异质结时，电子将从电子将从n型半导体流向型半导体流向p型半导体，同时空穴在于型半导体，同时空穴在于电子相反的方向流动，直电子相反的方向流动，直至两块半导体的费米能级至两块半导体的费米能级处于同一能级，形成异质处于同一能级，形成异质结。结。两块半导体材料交界处两块半导体材料交界处形成空间电荷区（即势形成空间电荷区（即势垒区或耗尽层），垒区或耗尽层），n型型半导体为正空间电荷区，半导体为正空间电荷区，p

6、型半导体一边为负空型半导体一边为负空间电荷区，因不考虑界间电荷区，因不考虑界面态，势垒区中正空间面态，势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷电荷数等于负空间电荷数。数。能带发生了弯曲。能带发生了弯曲。n型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVD2，而导带底在交界面处形成一向上的，而导带底在交界面处形成一向上的“尖峰尖峰”。P型型半导体的导带底和价带顶的弯曲量为半导体的导带底和价带顶的弯曲量为qVD1，而导带底在交，而导带底在交界面处形成一向下的界面处形成一向下的“凹口凹口”；能带在交界面处不连续，；能带在交界面处不连续，有一个突变。有一个突变。两种半导体的导带底在交

7、界面处的突变量为两种半导体的导带底在交界面处的突变量为 价带顶的突变量为价带顶的突变量为 由此有由此有两种半导体形成异质结后，其内建电势为：两种半导体形成异质结后，其内建电势为：运用同质结一样的耗尽层近似，可以得出内建运用同质结一样的耗尽层近似，可以得出内建电势在电势在P型区和型区和N型区中的分量：型区中的分量：在反向偏压或小正向偏压（在反向偏压或小正向偏压（VVbi）情形，）情形，P型区和型区和N型区中型区中的耗尽层宽度公司与同质结相同，分别是的耗尽层宽度公司与同质结相同，分别是 耗尽层电容耗尽层电容 对突变同型异质结的能带图分析，下左图为对突变同型异质结的能带图分析，下左图为n型的两种不型

8、的两种不同半导体材料形成异质结之前的平衡能带图，右图为形同半导体材料形成异质结之前的平衡能带图，右图为形成异质结之后的平衡能带图。当两种半导体材料紧密接成异质结之后的平衡能带图。当两种半导体材料紧密接触形成异质结时，由于禁带宽度大的触形成异质结时，由于禁带宽度大的n型半导体的费米能型半导体的费米能级比禁带宽度小的高，所以电子将从前者向后者流动，级比禁带宽度小的高，所以电子将从前者向后者流动，在禁带宽度小的在禁带宽度小的n型半导体一边形成电子积累层，另一边型半导体一边形成电子积累层，另一边形成耗尽层。形成耗尽层。同理，可得同理，可得突变同型异质结的能带图突变同型异质结的能带图 5.1.2 半导体

9、异质结伏安特性半导体异质结伏安特性PN同质结的正向电流均以扩散电流为主，同质结的正向电流均以扩散电流为主，伏安特性表达式为：伏安特性表达式为：在在P-N异质结中既有电子势垒又有电子势阱，但当势垒高度异质结中既有电子势垒又有电子势阱，但当势垒高度和势阱深度不相同时，异质结的导电机制也有所不同，所以和势阱深度不相同时，异质结的导电机制也有所不同，所以把这种异质结分为负反向势垒和正反向势垒。把这种异质结分为负反向势垒和正反向势垒。不同能带形式不同能带形式不同的传输机理不同的传输机理不同伏安特性不同伏安特性-qVn+qVnqVDpEF+qVBEF负反向势垒负反向势垒P-N异质结异质结低低势垒尖峰异质结

10、，是势垒尖峰势垒尖峰异质结，是势垒尖峰顶低于顶低于P区导带底的异质结。区导带底的异质结。N区扩散向结处的电子流通过发区扩散向结处的电子流通过发射机制越过尖峰势垒进入射机制越过尖峰势垒进入P区，区，此类异质结的电子流主要由扩此类异质结的电子流主要由扩散机制决定。散机制决定。正反向势垒正反向势垒PN异质结异质结高势高势垒尖峰异质结，是势垒尖峰顶垒尖峰异质结，是势垒尖峰顶高于高于P区导带底的异质结。区导带底的异质结。N区区扩散向结处的电子中高于势垒扩散向结处的电子中高于势垒尖峰的部分电子通过发射机制尖峰的部分电子通过发射机制进入进入P区，此类异质结电流主区，此类异质结电流主要由电子发射机制决定。要由

11、电子发射机制决定。从从N型区导带底到型区导带底到P型区导型区导带底的势垒高度是带底的势垒高度是 P型半导体中的少数载流子浓度型半导体中的少数载流子浓度n10与与N型半导型半导体中的多子浓度体中的多子浓度n20的关系是的关系是 n1（-x1）与与n20的关系为的关系为 在稳定情况下，在稳定情况下，P型区半导体中注入的少子的运动连续性方型区半导体中注入的少子的运动连续性方程是程是 其通解是其通解是应用边界条件应用边界条件 从而求得电子的扩散电流密度从而求得电子的扩散电流密度外加电压外加电压V时，通过异质时，通过异质PN结的总电流密度是结的总电流密度是 能带图的不连续有助于从较大的禁带材料注入多数载

12、流能带图的不连续有助于从较大的禁带材料注入多数载流子而不论其掺杂密度如何。这也是异质结双极晶体管的子而不论其掺杂密度如何。这也是异质结双极晶体管的基础。基础。如果如果n20和和p10在同一个数量级上，则可得在同一个数量级上，则可得5.2 高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管(HEMT)Modulation Doped Field Effect Transistor,MODFET Two Dimensional Electron Gas Field Effect Transistor,2DEGFET High Electron Molibity Transistor,HEMT1、在、在GaAs衬

13、底上采用衬底上采用MBE（分子束外延）等技术连续（分子束外延）等技术连续生长出高纯度的生长出高纯度的GaAs层和层和n型型AlGaAs层；层；2、然后进行台面腐蚀以隔离有源区；、然后进行台面腐蚀以隔离有源区；5.2.1 HEMT的基本结构的基本结构制作步骤：制作步骤：接着制作接着制作AuGe/Au的源、漏欧姆接触的源、漏欧姆接触电极，并通过反应电极，并通过反应等离子选择腐蚀去等离子选择腐蚀去除栅极区上面的除栅极区上面的n型型GaAs层；层；最后在最后在n型型AlGaAs 表面积淀表面积淀Ti/Pt/Au栅栅电极。电极。3、4、一般该隔离层厚度取为一般该隔离层厚度取为710nm。既能保证高的。既

14、能保证高的2-DEG的的面密度，又可降低杂质中心的面密度，又可降低杂质中心的Coulomb散射散射为了完全隔开杂质中心为了完全隔开杂质中心和和2-DEG，往往在，往往在N型型AlGaAs层与未掺杂层与未掺杂GaAs层之间放一层未掺层之间放一层未掺杂的杂的AlGaAs隔离层，这隔离层，这样可以在很大程度上提样可以在很大程度上提高高2-DEG的迁移率的迁移率 5.2.2 HEMT的工作原理的工作原理HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结的异质结的2-DEG的浓度而实现控制电流的。的浓度而实现控制电流的。由于肖特基势垒的作用和电子向未掺杂

15、的由于肖特基势垒的作用和电子向未掺杂的GaAs层转移，栅极层转移，栅极下面的下面的N型型AlGaAs层将被完全耗尽。层将被完全耗尽。2-DEGE2E1 N-AlxGa1-xAsI-GaAs转移到未掺杂转移到未掺杂GaAs层中的电层中的电子在异质结的三角形势阱中子在异质结的三角形势阱中即该层表面约即该层表面约10nm范围内形范围内形成成2-DEG；这些；这些2-DEG与处与处在在AlGaAs层中的杂质中心在层中的杂质中心在空间上是分离的，不受电离空间上是分离的，不受电离杂质散射的影响，所以迁移杂质散射的影响，所以迁移率较高。率较高。栅电压可以控制三角型势阱的深度和宽度，从而可以改变栅电压可以控制

16、三角型势阱的深度和宽度，从而可以改变2-DEG的浓度，以达到控制的浓度，以达到控制HEMT电流的目的。属于耗尽电流的目的。属于耗尽型工作模式。型工作模式。减薄减薄N型型AlGaAs层的厚度，或减小该层的浓度，那么在层的厚度，或减小该层的浓度，那么在Schottky势垒的作用下，三角型势阱中的电子将被全部势垒的作用下，三角型势阱中的电子将被全部吸干，在栅电压为零时尚不足以在未掺杂的吸干，在栅电压为零时尚不足以在未掺杂的AlGaAs层中层中形成形成2-DEG，只有当栅电压为正时才能形成，只有当栅电压为正时才能形成2-DEG，则，则这时的这时的HEMT属于增强型工作模式。属于增强型工作模式。N型型A

17、lxGa1-xAs层的厚度越小，可降低串联电阻，但太层的厚度越小，可降低串联电阻，但太小会产生寄生沟道，通常取小会产生寄生沟道，通常取3560nm。N型型AlxGa1-xAs层的组分层的组分x越大，禁带宽度越大，导带突越大，禁带宽度越大，导带突变增大，可增大变增大，可增大2-DEG浓度，但组分浓度，但组分x太大时，晶体的缺太大时，晶体的缺陷增加陷增加，一般取，一般取x=0.3。如果如果AlGaAs/GaAs异质结中存在缓变层，缓变层厚度异质结中存在缓变层，缓变层厚度WGR的的增大将使增大将使2-DEG的势阱增宽，使势阱中电子的子能带降低，的势阱增宽，使势阱中电子的子能带降低，从而确定的从而确定

18、的Fermi能级下，能级下，2-DEG的浓度增大；但是，的浓度增大；但是，WGR的增大，使异质结的高度降低，又将使的增大，使异质结的高度降低，又将使2-DEG的浓度减小。的浓度减小。WGRGaAsE2E1EFN-AlGaAs存在一个最佳的缓变层厚度，使存在一个最佳的缓变层厚度，使2-DEG的浓度最大。对于不的浓度最大。对于不存在隔离层存在隔离层N-Al0.37Ga0.63As/GaAs异质结，计算给出异质结，计算给出2-DEG的浓度的浓度ns与与AlGaAs中掺杂浓度中掺杂浓度ND和缓变层厚度和缓变层厚度WGR的关系的关系如下所示。如下所示。5.2.3 异质结界面的二维电子气异质结界面的二维电

19、子气在掺杂在掺杂GaAlAs和未掺杂的和未掺杂的GaAs层组成的异质结上，将在界层组成的异质结上，将在界面形成导带势阱和二维电子气。面形成导带势阱和二维电子气。在垂直于界面方向，电子运动是量子化的，在垂直于界面方向，电子运动是量子化的，基于有效质量近似，二维电子气中电子的运动可由波包基于有效质量近似，二维电子气中电子的运动可由波包函数描述函数描述 i表示第表示第i个子带，则波函数满足薛定谔方程：个子带，则波函数满足薛定谔方程：势能可由如下的泊松方程求解势能可由如下的泊松方程求解 空间电荷密度由界面电子浓度和空间电荷密度由界面电子浓度和GaAs掺杂决定掺杂决定GaAs中的电子可以近似看作处在一个

20、三角形势阱中，因为表面中的电子可以近似看作处在一个三角形势阱中，因为表面电场电场Fs近似是恒定的，在近似是恒定的，在z0一边耗一边耗尽层电荷形成一个线性电势分布：尽层电荷形成一个线性电势分布：求解得出其薛定谔方程特征函数是求解得出其薛定谔方程特征函数是Airy 函数，也可以求出表函数，也可以求出表面载流子浓度与费米能级的函数关系，相应的子带能级为面载流子浓度与费米能级的函数关系，相应的子带能级为 由高斯定律，表面电场由高斯定律，表面电场Fs与表面载流子密度与表面载流子密度ns之间存在以下关之间存在以下关系系 可以简化为可以简化为 在大多数实际情况下，仅考虑最低两个能级在大多数实际情况下，仅考虑

21、最低两个能级 二维电子气态密度二维电子气态密度D可以通过实验测得可以通过实验测得 突变异质结构不同隔离层厚度突变异质结构不同隔离层厚度di 情况下二维电子情况下二维电子气密度与气密度与GaAlAs掺杂浓度的关系掺杂浓度的关系 缓变异质结构在不同未掺杂缓变异质结构在不同未掺杂GaAlAs隔离层厚度隔离层厚度di 情况下二情况下二维电子气密度与维电子气密度与GaAlAs掺杂浓度的关系掺杂浓度的关系（实线对应于（实线对应于WGR=3nm,虚线对应于虚线对应于WGR=0nm）5.2.4 HEMT的直流特性的直流特性通过分离电子和电离了的施主通过分离电子和电离了的施主杂质，可以使杂质散射效应降杂质，可以

22、使杂质散射效应降低，提高迁移率。增加一个未低，提高迁移率。增加一个未掺杂的掺杂的AlGaAs的薄层隔层可的薄层隔层可以进一步加大电子和电离杂质以进一步加大电子和电离杂质的分离。的分离。HEMT的能带结构的能带结构 势阱中的势阱中的2-DEG密度受限于栅极电压。当在栅极加足够大密度受限于栅极电压。当在栅极加足够大的负电压时，肖特基栅极中的电场使势阱中的二维电子气的负电压时，肖特基栅极中的电场使势阱中的二维电子气层耗尽。层耗尽。金属金属-AlGaAs-GaAs结构在零偏及反偏的能带图。结构在零偏及反偏的能带图。零偏时，零偏时，GaAs的导带边缘低的导带边缘低于费米能级，这表明二维电子于费米能级，这

23、表明二维电子气的密度很大，相应气的密度很大，相应FET中的中的电流几乎很大。电流几乎很大。反偏时，反偏时，GaAs的导带边缘的导带边缘高于费米能级，说明二维高于费米能级，说明二维电子气的密度很小，相应电子气的密度很小，相应FET中的电流几乎为零。中的电流几乎为零。负栅压将降低二维电子气的浓度，正栅压将使二维电子气负栅压将降低二维电子气的浓度，正栅压将使二维电子气的浓度增加。二维电子气的浓度随栅压增加，直到的浓度增加。二维电子气的浓度随栅压增加，直到GaAlAs的导带与电子气的费米能级交叠为止。如下图：的导带与电子气的费米能级交叠为止。如下图：肖特基势垒和异质结势垒分别使肖特基势垒和异质结势垒分

24、别使AlGaAs层的两个表面耗尽。层的两个表面耗尽。在理想情况下，设计器件时应该使这两个耗尽区交叠，这在理想情况下，设计器件时应该使这两个耗尽区交叠，这样就可以避免电子通过样就可以避免电子通过AlGaAs层导电。层导电。HEMT的电流与电压关系的电流与电压关系 qM 是栅极的是栅极的Schottky势垒高度势垒高度 平带电压是平带电压是 HEMT的平衡情况的能带图和平带情况的能带图的平衡情况的能带图和平带情况的能带图，由图可得由图可得阈值电压阈值电压 电荷控制模型可知，电荷控制模型可知，2-DEG的浓度的浓度ns与栅电压与栅电压Vg关系是关系是 2112VG(V)0ns与与 VG基本上成正比关

25、系。基本上成正比关系。所以可知，所以可知，HEMT就是依据就是依据栅电压控制沟道中栅电压控制沟道中2-DEG的的浓度来工作的。浓度来工作的。采用缓变沟道近似，则漏极电流沿沟道的分布可以表示为采用缓变沟道近似，则漏极电流沿沟道的分布可以表示为 假定电子迁移率假定电子迁移率n恒定，同过积分，则得到漏极电流：恒定，同过积分，则得到漏极电流：VDS较较小小时时可以得到可以得到线线性关系性关系为为 VDS较较大大时时漏极电流将达到饱和漏极电流将达到饱和沟道较短时，还须计入电子漂移速度沟道较短时，还须计入电子漂移速度vd和电场和电场的关系。强的关系。强电场下，器件的性能被电子的饱和速度电场下，器件的性能被

26、电子的饱和速度vdsat所限制。由此，所限制。由此，可以求出饱和电流可以求出饱和电流IDS的的表达式：表达式：当当 VT 0时时当当=m时时 可以得出可以得出下图中，虚线是计算结果，实线是测量结果。可见，在强下图中，虚线是计算结果，实线是测量结果。可见，在强电场下工作的耗尽型电场下工作的耗尽型HEMT和增强型和增强型HEMT，都呈现出平，都呈现出平方规律的饱和特性。即方规律的饱和特性。即5.2.7 HEMT的频率特性的频率特性由于由于HEMT中通过调变掺杂方式大大降低了电离杂质散射，中通过调变掺杂方式大大降低了电离杂质散射，2-DEG所遭受的散射机构，主要是光学波声子散射；表面所遭受的散射机构

27、，主要是光学波声子散射；表面粗糙度散射很小，可忽略。粗糙度散射很小，可忽略。Hall效应测量表明，效应测量表明，2-DEG的浓度的浓度ns与栅电压与栅电压VG成正比。成正比。此外，电子迁移率与栅电压关系如下：此外，电子迁移率与栅电压关系如下：（k为为0.52.0的常数）的常数）故有故有在在HEMT工作栅压变化范围，迁移率变化保持在工作栅压变化范围，迁移率变化保持在30%之之内。故在讨论器件工作特性时可假定为恒定值。内。故在讨论器件工作特性时可假定为恒定值。电子漂移速度与电场的关系电子漂移速度与电场的关系 如图，迁移率作为电场的如图，迁移率作为电场的函数，随着温度函数，随着温度T的升高是的升高是

28、下降的，在下降的，在300K时几乎与时几乎与电场无关，而在低温、特电场无关，而在低温、特别是在低电场时，迁移率别是在低电场时，迁移率随电场下降得很快（由于随电场下降得很快（由于这时迁移率很高，电子迅这时迁移率很高，电子迅速被速被“加热加热”而发射出极而发射出极性光学波声子的缘故）。性光学波声子的缘故）。说明说明HEMT工作于高电场工作于高电场区时，已不能体现区时，已不能体现2-DEG的优点。的优点。在在GaAs/AlxGa1-xAs异质结中的异质结中的2-DEG的迁移率，不仅的迁移率，不仅与温度与温度T有关，还与有关，还与2-DEG浓度和组分浓度和组分x强烈相关，除此强烈相关，除此之外，还与异

29、质结中的本征之外，还与异质结中的本征AlGaAs隔离层厚度隔离层厚度d有关。有关。图为图为2-DEG和和3-DEG在不在不同温度下的速场特性关系同温度下的速场特性关系曲线曲线 高电场下，无论高温还高电场下，无论高温还是低温，是低温，2-DEG的速度的速度总是大于总是大于3-DEG。另外，。另外，电场越小，温度对速度电场越小，温度对速度的影响越大，因而长沟的影响越大，因而长沟道道HEMT更适合降低温更适合降低温度来提高性能。度来提高性能。对短沟对短沟HEMT，决定器件性能的因素往往不是低电场时，决定器件性能的因素往往不是低电场时的迁移率，而是高电场时的饱和速度的迁移率，而是高电场时的饱和速度 v

30、dsat漏极电流饱和是由于在漏端沟道内电子速度达到饱和。此漏极电流饱和是由于在漏端沟道内电子速度达到饱和。此时，漏端栅下时，漏端栅下GaAs层内将出现电子积累，在此区域附近层内将出现电子积累，在此区域附近电场将集中，漏极电压的大部分将降落在这个很窄的范围电场将集中，漏极电压的大部分将降落在这个很窄的范围内。在此狭窄范围，速度过冲效应明显。内。在此狭窄范围，速度过冲效应明显。图为电子速度与图为电子速度与电场的关系电场的关系 图为电子速度与电图为电子速度与电场作用时间的关系场作用时间的关系 HEMT的特征频率的特征频率fT是使最大输出电流与输入电流相等，是使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增

31、益下降到即最大电流增益下降到1时的频率。即截止频率时的频率。即截止频率fT定义为定义为输入电流输入电流Ii等于本征晶体管理想输出电流等于本征晶体管理想输出电流gmVGS时的频率。时的频率。输出短路时输出短路时 所以截止频率为所以截止频率为 对饱对饱和和电电流区和流区和V VG GVT的工作区的工作区（短栅）（短栅）或者或者（长栅长栅）故故fT可表示可表示为为（短栅）（短栅）（长栅长栅）所以，对短栅情形，提高最高工作频率的措施是缩短沟道所以，对短栅情形，提高最高工作频率的措施是缩短沟道长度长度L对长栅情形，提高高工作频率的措施也包括缩短沟道长度对长栅情形，提高高工作频率的措施也包括缩短沟道长度L

32、，提高载流子迁移率，提高栅极电压，减小截止电压。，提高载流子迁移率，提高栅极电压，减小截止电压。HEMT的最高震荡频率的最高震荡频率fmax是指最大功率增益下降到是指最大功率增益下降到1时的时的频率频率 其中其中5.3异质结双极晶体管异质结双极晶体管(HBT)5.3.1 HBT的基础理论的基础理论常规常规BJT难以同时兼顾高频与放大性能，原因如下：难以同时兼顾高频与放大性能，原因如下：减减小小基极电阻、减小基极电阻、减小集电结势垒电容、减集电结势垒电容、减小发射结势垒电容小发射结势垒电容提高基区掺杂浓度提高基区掺杂浓度和增宽基区厚度和增宽基区厚度 发射结注人效率降低和载发射结注人效率降低和载流

33、子渡越基区的时间增长流子渡越基区的时间增长 提高频率性能提高频率性能放大系数和频放大系数和频率特性下降率特性下降异质结双极晶体管异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar TransistorHBT)异质结的中心设计原理是利用半导体材料禁带宽度的变异质结的中心设计原理是利用半导体材料禁带宽度的变化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分布和流动。因而使之具有许多同质结所没有的优越性。布和流动。因而使之具有许多同质结所没有的优越性。HBT是由禁带宽度较大是由禁带宽度较大(大于基区的禁带宽度大于基区的禁带宽度)的半导体的半导

34、体作为发射区的一种作为发射区的一种BJT，即采用异质发射结的双极型晶，即采用异质发射结的双极型晶体管。这种异质发射结注入电子的效率很高体管。这种异质发射结注入电子的效率很高(1)，因，因为空穴的反向注入几乎完全被额外的一个空穴势垒阻挡，为空穴的反向注入几乎完全被额外的一个空穴势垒阻挡，即发射结的注入效率主要由结两边禁带宽度的差异所造即发射结的注入效率主要由结两边禁带宽度的差异所造成的一个额外的空穴势垒成的一个额外的空穴势垒(高度为高度为Ev)决定，而与发射决定，而与发射区和基区的掺杂浓度基本上无关。因此，区和基区的掺杂浓度基本上无关。因此，HBT可以在保可以在保持较高的发射结注入效率的前提下，

35、容许提高基区的掺持较高的发射结注入效率的前提下，容许提高基区的掺杂浓度和降低发射区的掺杂浓度，从而使器件的基区宽杂浓度和降低发射区的掺杂浓度，从而使器件的基区宽度调制效应得以减弱度调制效应得以减弱(可得到较高的可得到较高的Early电压电压)、基极、基极电阻减小、大注入效应减弱、发射结势垒电容减小、发电阻减小、大注入效应减弱、发射结势垒电容减小、发射区禁带宽度变窄效应消失，并可通过减薄基区宽度大射区禁带宽度变窄效应消失，并可通过减薄基区宽度大大缩短基区渡越时间，所以能够实现超高频、超高速和大缩短基区渡越时间，所以能够实现超高频、超高速和低噪声的性能，从而提供最大的低噪声的性能，从而提供最大的E

36、arly电压值，有利于电压值，有利于微波应用。采用微波应用。采用V族化合物半导体制作的族化合物半导体制作的HBT，就，就是最早进入毫米波领域应用的一种三端有源器件。是最早进入毫米波领域应用的一种三端有源器件。根据异质结界面过渡区材料组分的变化情况可以将其分根据异质结界面过渡区材料组分的变化情况可以将其分为突变异质结和缓变异质结。突变异质结的过渡区很薄，为突变异质结和缓变异质结。突变异质结的过渡区很薄，通常只有数十通常只有数十或几个或几个，缓变异质结则有比较宽的过渡，缓变异质结则有比较宽的过渡区通常有数百区通常有数百。其宽度可通过工艺方法和工艺方条件。其宽度可通过工艺方法和工艺方条件来控制。来控

37、制。（a）是突变）是突变发射结的情发射结的情况，其基区况，其基区均匀，无加均匀，无加速场速场（b）是缓）是缓变发射结的变发射结的情况，基区情况，基区无加速场无加速场（c）是缓变）是缓变发射区、缓发射区、缓变基区，有变基区，有加速场加速场（d）是突变）是突变发射结、缓变发射结、缓变基区，存在加基区，存在加速场速场异质结双极晶体管，其宽禁带发射区、窄禁带基区构异质结双极晶体管，其宽禁带发射区、窄禁带基区构成的发射结一定是异质结，集电结可以是异质结，也成的发射结一定是异质结，集电结可以是异质结，也可以是同质结。其基本结构及工作原理和普通同质结可以是同质结。其基本结构及工作原理和普通同质结双极晶体管大

38、致相同。双极晶体管大致相同。当双极晶体管的发射结加上正向偏压当双极晶体管的发射结加上正向偏压VEB，集电结加有反，集电结加有反向偏压向偏压VCB，则其共射极电流放大系数，则其共射极电流放大系数可表示如下可表示如下 因因而而 为发射系数，为发射系数，为发射系数，*是基区输运系数。是基区输运系数。而而 由于由于HBT基区宽度为亚微米或更小，故可假定基区输运基区宽度为亚微米或更小，故可假定基区输运系数系数 为为1忽略基区体复合电流；若同时忽略势垒复合流，则只由决定，忽略基区体复合电流；若同时忽略势垒复合流，则只由决定，其最大可能值为：其最大可能值为：故有发射结的注入比故有发射结的注入比：因为因为且且

39、假定假定 得到得到 其中其中 因而得到因而得到对于同质结，对于同质结，EG=0，一般是通过提高发射效率，增加发，一般是通过提高发射效率，增加发射区和基区的掺杂浓度比射区和基区的掺杂浓度比NE/NB来提高电流增益为此，一般来提高电流增益为此，一般要求要求NE/NB 102。而异质结中，只要而异质结中，只要EG 0。max就能达到很大值，而与就能达到很大值，而与NE/NB关系不大。所以，关系不大。所以，HBT中通过采用宽带隙发射区，打破中通过采用宽带隙发射区，打破了普通同质结双极晶体管的局限性，克服了其增益与速度之间了普通同质结双极晶体管的局限性，克服了其增益与速度之间的固有矛盾。的固有矛盾。下图

40、是同质结双极晶体管与下图是同质结双极晶体管与HBT的杂质浓度分布的比较。的杂质浓度分布的比较。为了得到高的注入效率，同质结双极晶体管的发射区为高为了得到高的注入效率，同质结双极晶体管的发射区为高掺杂掺杂,基区的掺杂浓度比发射区低两个数量级。而对基区的掺杂浓度比发射区低两个数量级。而对HBT而而言，由于能带结构带来的高注入比优势，发射区掺杂浓度言，由于能带结构带来的高注入比优势，发射区掺杂浓度低于基区掺杂浓度，使得低于基区掺杂浓度，使得 HBT 体现了高速高增益的特性。体现了高速高增益的特性。采用采用MBE或或MOCVD制作的制作的AlGaAs/GaAs HBT结构示意图结构示意图 5.3.2、

41、能带结构与、能带结构与HBT性能的关系性能的关系对于突变发射结晶体管，发射对于突变发射结晶体管，发射区低掺杂，大部分电势将降落区低掺杂，大部分电势将降落在发射区上（在发射区上（qVD2），能带图），能带图上形成尖峰；小部分电势降落上形成尖峰；小部分电势降落在基区，形成凹口在基区，形成凹口（qVD1）该凹口势阱将收集注入的电子，该凹口势阱将收集注入的电子，增加复合损失，产生放大系数增加复合损失，产生放大系数下降等不良结果。可以通过下降等不良结果。可以通过MBE在界面生成高受主浓度在界面生成高受主浓度的薄层电荷填补该势阱的薄层电荷填补该势阱 而对而对于势垒本身而言，其不良影响之一是使得到同样电流，

42、于势垒本身而言，其不良影响之一是使得到同样电流，发射极偏压将增大，极大地降低了发射系数。因为此时，发射极偏压将增大，极大地降低了发射系数。因为此时，发射区电子穿过发射极所越过的势垒比缓变发射极小了，发射区电子穿过发射极所越过的势垒比缓变发射极小了，而基区空穴穿过发射极所越过的势垒没有变化，相当于发而基区空穴穿过发射极所越过的势垒没有变化，相当于发射区与基区的带隙宽度差射区与基区的带隙宽度差EG减小减小EC了，约为了，约为EV。对于发射结，有对于发射结，有电子要从发射区注入到基区，须克服的势垒为电子要从发射区注入到基区，须克服的势垒为 空穴要从基区注入到发射区须克服的势垒则为空穴要从基区注入到发

43、射区须克服的势垒则为 故有故有 而对于缓变发射结，电子注入要克服的势垒为而对于缓变发射结，电子注入要克服的势垒为而空穴所克服的势垒不变，故有而空穴所克服的势垒不变，故有也就是说，发射结为缓变异质结的较之突变异质结的也就是说，发射结为缓变异质结的较之突变异质结的大，这是由于大，这是由于EC、EC共同共同 影响的结果影响的结果 对突变异质结而言，价带断续大的发射结则对增益有利。对突变异质结而言，价带断续大的发射结则对增益有利。突变发射结的优势是使注入到基区的电子具有附加的动能，突变发射结的优势是使注入到基区的电子具有附加的动能，使其达到很高的速度（使其达到很高的速度（108cm/s），产生所谓），

44、产生所谓速度过冲速度过冲，近似，近似于弹道输运。具有更小的基区渡越时间和更高的截止频率。于弹道输运。具有更小的基区渡越时间和更高的截止频率。速度过冲：指在刚加上强电场的瞬间，半导体中载流子的速度过冲：指在刚加上强电场的瞬间，半导体中载流子的漂移速度可以大大超过饱和漂移速度的非平衡瞬态现象漂移速度可以大大超过饱和漂移速度的非平衡瞬态现象右图为右图为GaAs中电子中电子的速度过冲，大的速度过冲，大约经过约经过10-12秒，漂秒，漂移移0.5m之后，电子之后，电子速度才稳定到相应速度才稳定到相应电场的稳态值。电场的稳态值。不同材料的小尺寸器件，由载不同材料的小尺寸器件，由载流子非平衡输运的平均时间可

45、流子非平衡输运的平均时间可以估算出其有效漂移速度以估算出其有效漂移速度 采用采用Monte Carlo方法计算方法计算出经过出经过HBT突变发射极势突变发射极势垒垒EB的电子在基区漂移的电子在基区漂移速度与距离的关系速度与距离的关系由于由于GaAs的上下能谷的能量差为的上下能谷的能量差为0.33eV，大的注入能，大的注入能量会使更多的电子跃迁到上能谷，而上能谷比下能谷有量会使更多的电子跃迁到上能谷，而上能谷比下能谷有效质量大很多，具有较低的速度和迁移率。效质量大很多，具有较低的速度和迁移率。因此，发射极势垒尖峰很高，也不一定会得到高的电子因此，发射极势垒尖峰很高，也不一定会得到高的电子漂移速度

46、和低的基区渡越时间。漂移速度和低的基区渡越时间。可以通过基区材料组分的缓变，实现带隙的变化，从而可以通过基区材料组分的缓变，实现带隙的变化，从而设置基区加速场设置基区加速场 AlxGa1-xAs中中Al的组分的组分x，越高，其材料禁带宽度越大，越高，其材料禁带宽度越大，通过改变其中通过改变其中Al的组分，可以设置加速电场的组分，可以设置加速电场，降低电子，降低电子的基区渡越时间，提高频率特性的基区渡越时间，提高频率特性采用缓变基区能带结构以降低基区渡越时间采用缓变基区能带结构以降低基区渡越时间B、提高频率、提高频率特性之后，对整个延迟时间的贡献最大者则是如下式的集特性之后，对整个延迟时间的贡献

47、最大者则是如下式的集电极空间电荷区的渡越时间电极空间电荷区的渡越时间SCR 故应故应该保证载流子在漂移过程中始终处于该保证载流子在漂移过程中始终处于能谷。图为其不能谷。图为其不同掺杂结构对电场分布的调节和同掺杂结构对电场分布的调节和 得出的电子速度分布得出的电子速度分布6.3.3 异质结双极晶体管的特性异质结双极晶体管的特性降低发射区掺杂浓度降低发射区掺杂浓度 减小发射结电容减小发射结电容 提高基区掺杂浓度提高基区掺杂浓度 降低基极电阻降低基极电阻 提高了工作频率及功率增益提高了工作频率及功率增益 HBT的高频性能主要取决于总的渡越时间的高频性能主要取决于总的渡越时间 ec和有效基极电和有效基

48、极电阻与集电极电容所构成的时间常数阻与集电极电容所构成的时间常数 eff：最高振荡频率为最高振荡频率为 相对于相同尺寸的相对于相同尺寸的Si双极晶体管，双极晶体管，HBT具有更高的设具有更高的设计自由度和灵活性，可以获得更好的频率特性计自由度和灵活性，可以获得更好的频率特性 对于数字运用，尽管开关时间与电路与偏置密切相关，对于数字运用，尽管开关时间与电路与偏置密切相关，但可得出其关系为但可得出其关系为 经估算，与相同工艺条件下的双扩散硅双极晶体管相经估算，与相同工艺条件下的双扩散硅双极晶体管相比，比，HBT开关速度快了开关速度快了5至至8倍。倍。开关时间与基极电阻有一次方关系，开关时间与基极电

49、阻有一次方关系，fmax与基极电阻与基极电阻是二分之一次方关系。因而增加基区掺杂对开关时间是二分之一次方关系。因而增加基区掺杂对开关时间的改善比对频率特性的改善更为明显。的改善比对频率特性的改善更为明显。通过负载电阻的优化选取，可使开关时间达到极小通过负载电阻的优化选取，可使开关时间达到极小，此时，此时除了降低基极电阻，降低集电极电容也可使开关时间降低。除了降低基极电阻，降低集电极电容也可使开关时间降低。采用下图的反向器件结构，也就是集电极位于最上方，发采用下图的反向器件结构，也就是集电极位于最上方，发射极置于最下方，从而缩小集电极面积，降低集电极电容射极置于最下方，从而缩小集电极面积，降低集

50、电极电容 采用该结构，可使集电极电容缩小为原来的三分之一以上采用该结构，可使集电极电容缩小为原来的三分之一以上 双异质结双极晶体管，简称双异质结双极晶体管，简称DHBT，可以使发射结与集电，可以使发射结与集电结的内建电势结的内建电势 相同，消除单异质结相同，消除单异质结HBT的开启电压，降低的开启电压，降低功耗功耗数字电路工作过程中，存在集电极正偏的饱和状态，如果数字电路工作过程中，存在集电极正偏的饱和状态，如果基区掺杂比集电区高，将出现基区空穴注入集电区，使得基区掺杂比集电区高，将出现基区空穴注入集电区，使得电路功耗增大、速度下降。如集电区采用宽禁带材料，可电路功耗增大、速度下降。如集电区采