Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices异质结双极晶体管3.133.14Heterojunction Bipolar TransistorPhysics of Semiconductor DevicesW.B.肖克莱于1951年提出这这种晶体管的概念70年代中期，在解决了砷化镓的外延生长问题之后，这种晶体 管才得到较快的发展。最初称为“宽发射区”晶体管。其主要特点是发射区材料的禁带宽度大于基区材料的禁带宽度。异质结是由 两种不同的半导体材料形成的PN结。例如：在P型 GaAs上形成N型AlxGa1-xAs。 AlxGa1-xAs是AlAs 和GaAs这两种III-V 族化合物半导体固溶形成的合金，x是在合金中的所占的摩尔分数。异质结的特性之一是禁带宽度随合金的摩尔分数而变化 。前言：Physics of Semiconductor Devices异质结双极晶体管HBT是指发射区、基区和收集区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管。异质结双极晶体管类型很多，主要有 SiGe异质结双极晶体管, GaAlAs/GaAs异质结晶体管和NPN型InGaAsPInP异质结双极晶体管, NPN型AlGaN/GaN异质结双极晶体管等。异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同，前者的发射极材料不同于衬底材料，后者的整个材料是一样的，因而称为异质结器件。异质结双极晶体管的发射极效率主要由禁带宽度差决定，几乎不受掺杂比的限制，大大地增加了晶体管设计的灵活性。Physics of Semiconductor Devices1、反型异质结：这是指由导电类型相反的两种不同的半导体单 晶体材料所形成的异质结。例如由p型锗与n型砷化镓所形成的 结即为反型异质结，并记为p-nGe-GaAs或记为(p)Ge-(n)GaAs。2、同型异质结：这是指由导电类型相同的两种不同的半导体单 晶体材料所形成的异质结。例如由n型锗与n型砷化镓所形成的 结即为同型异质结，并记为n-nGe-GaAs或记为(n)Ge-(n)GaAs。3、异质结也可以分为突变型异质结和缓变型异质结两种。如果从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原 子距离内，则称为突变异质结如果发生于几个扩散程度内，则 称为缓变异质结。 Physics of Semiconductor Devices由禁带宽度相同、导电类型不同或虽导电类型相同但掺杂 浓度不同的单晶材料组成的晶体界面称为同质结。禁带宽度不同的两种单晶材料一起构成的晶体界面称为异 质结。同质结与异质结Physics of Semiconductor DevicesIII-V族化合物的价带包括三个能带，一个重空穴带V1，一个轻 空穴带V2和由自旋-轨道耦合所分裂出来的的第三个能带V3。砷化镓的能带结构典型III-V族化合物能带Physics of Semiconductor DevicesAlxGa1-xAs x=0： GaAs x=1： AlAsPhysics of Semiconductor Devices对于0 0.45 时，由于EgX Eg ，材料由直接带隙转变为间接带隙；显然x=0时，材料为GaAs，在300K，其禁带宽为1.424eV，晶格常数为0.56533nm；当x=1，材料为AlAs，其禁带宽度为2.168eV，晶格常数为0.56606nm。AlxGa1-xAs的晶格常数随x的变比很小，甚至在x=0和x=1的极端情况，晶格失配仅为0.1%。晶格常数匹配是形成理想异质结所需的重要条件。可见：Physics of Semiconductor Devices功函数（不同）功函数亲和势（不同） 亲和势禁带宽度不同价带能量差：禁带宽度差减去 导带能量差导带能量差就是 亲和势没有形成异质结之前的分离能带图一 平衡异质结Physics of Semiconductor Devices功函数：把一个电子从费米能级移到真空能级所需做的功亲和势：把一个电子从导带底移到真空能级所需做的功两个概念：禁带宽度差是导带差与价带差的和：Physics of Semiconductor Devices当两种半导体形成冶金学接触之后，热平衡情况下费米能级恒 等要求P区空穴向N区转移， N区电子向P区转移结果在接触面 附近形成空间电荷区。与同质结相似，在突变结及耗尽近似下 ，空间电荷区的泊松方程为：1和2分别为GaAs和AlxGa1-xAs区空间电荷区电势分布一次积分kGaAs= k1=13.1, kAsAl=10.06, 对于AlxGa1-xAs有： kAlxGa1-xAs = k2=13.1-3.0x空间电荷区边界Physics of Semiconductor Devices 二次积分： 且取1(-xp) = 0得：可得P区的自建电势为：x = 0Physics of Semiconductor Devices 取2(xn) = 0为整个内建电势差，则N区的电势分布为： x = 0N区的自建电势差为： x = 0， 1(0) = 2(0) ，则有：可改 写为Physics of Semiconductor Devices热平衡异质结GaAs-AlxGa1-xAsPhysics of Semiconductor DevicesP侧N侧耗尽层宽度分别为：Naxp=NdxnNa xp=Nd xn电中性要求：Physics of Semiconductor Devices热平衡N-AlxGa1-xAs/GaAs异质结能带图Physics of Semiconductor Devices二 加偏压的异质结如果在异质结两端施加任意偏压V=V1+V2，其中V1、 V2分别是 分配在两种半导体上的电压，则边界条件变化为：边界条件边界条件Physics of Semiconductor DevicesP侧N侧耗尽层宽度分别变化为：与同质PN结一样，在有外加偏压的情况下，N区和P区费米能 级分开，如果是正向偏压，则N区费米能级相对P区费米能级 上移qV；对于反向偏压VR，N区费米能级相对P区费米能级 向下移动qVR。Physics of Semiconductor Devices三 HBT放大的基本理论这种器件用N-AlxGa1-xAs作为发射区，用P-GaAs作为基区，用 N-GaAs作为集电区。与电子从发射区向基区注入相比，空穴由基区向发射区 注射时，要克服一个附加的能量EV，由于EV的存在，可以提高晶体管的注射放率。Physics of Semiconductor DevicesNPN异质结双极型晶体管能带图具有宽禁带发射区Physics of Semiconductor Devices在放大状态下，晶体管的基极电流主要来自以下几个方面：发 射结耗尽层的复合电流 Irg，基区向发射区注入的空穴电流IpE和基区复合电流InE -InC；集电极电流主要来自发射结注入并穿过基区的电流InC ，则共发射极电流增益可以表示为：注入比是受注入比限制时的最大电流增益Physics of Semiconductor Devices 根据：根据：式中，niB、niE分别是P-GaAs基区和N-AlxGa1-xAs发射区的本征载流子浓度xELpE、 xBLnPhysics of Semiconductor Devices则有：注入比：Physics of Semiconductor Devices 根据本征载流子浓度公式，同时忽略不同半导体材料之间的有 效状态密度Nc、NV的差别，有：EgE和EgB分别表示发射区和基区材料的禁带宽度对于同质结，Eg=0，于是与掺杂相同的同质结晶体管BJT相 比，注入比rmax之比为：Physics of Semiconductor Devices宽禁带发射区异质结可以使双极晶体管的电流增益大幅度提高 ；通常Eg选用大于250eV（10KT）的材料，与同质结相比， rmax提高104倍。这样，基区可以高掺杂，其浓度可达1020cm-3。基区高掺杂使器件性能大大改善：1、基区不容易穿通，从而厚度可以做得很小，即它可使器件尺 寸缩小；2、基区电阻可以显著降低，从而提高振荡频率；3、基区电导调制不明显，从而大电流密度时电流增益不会明显 下降；4、基区电荷对输出电压(集电结电压）不敏感，从而发射结耗 尽层电容大大减小，器件的电流放大-截止频率T提高。小结Physics of Semiconductor Devices 四 几类常见的HBT这类HDT的发射区采用AlxGa1-xAs材料。Al(或AlAs)的摩尔分数x选择在 0.2左右，高于此值时N型AlGaAs中开始出现深施主，使发射结电容增加 ，x=0.25时，发射区的禁带宽度比基区的大0.39ev，注入效率可以显著提 高。基区采用P+-GaAs材料，典型厚度为0.050.1m，典型掺杂浓度Na为 51018 11020 cm-3；集电区通常也采用GaAs材料(N型)。集电区住下依 次为N-GaAs埋层和半绝缘GaAs(SiGaAs)衬底。SiGaAs是通过向GaAs引 入深能级杂质(因而费米能级被钉扎在禁带中央)而获得的。这类HBT的一 个重要优点是：AlxGa1-xAs/GaAs材料体系可以有良好的晶格匹配；其次，由于采用半绝缘衬底，器件之间容易隔离和互连器件或互连线同衬底 之间的电容可以忽略。此外，用来制作激光器、发光二极管、光探测器 等光电于器件。1、 AlGaAs/GaAs HBTPhysics of Semiconductor Devices同InP晶格匹配的III-V族化合物半导体包括In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As。 In0.53Ga0.47As的禁带宽是0.75eV。 In0.52Al0.48As的禁带宽度是1.5eV ，而InP的禁带宽度是1.35eV。用In0.53Ga0.47As作为基区而InP或In0.52Al0.48As作为发射区构成的HBT，其主要是In0.53Ga0.47As中的电子迁栘率很高；对于本征材料（无杂质散射），其迁栘率是GaAs的1.6倍，是Si的9倍。这类器件的半绝缘衬底采用掺Fe的InP。2、 InGaAs HBTPhysics of Semiconductor Devices加入Ge会降低Si的禁带宽度，形成可用于HBT基区的合金。由于Ge和Si的 晶格常数(分别为0.56575和0.54310eV)相差超过4，SiGe合金的晶格常数将 比和Si的相差甚大，不可能实现晶格匹配；但是，如果合金层的度低于临界 值， SiGe合金和Si之间可以弹性调节，从而不出现晶格失配，这就是所谓 的应变层结构。这类HBT具有很高的注入效率；与化合物异质结器件相比，这类器件由于采用成熟的硅工艺，工艺简单、可靠，价格便宜，机械和 导热性能良好，并且可以在同一衬底上集成电子器件和光电子器件；3、Si/Si1-xGex HBTPhysics of Semiconductor Devices 五 常见的BHT结构NPN型GaAlAs/GaAs晶体管结构1.56eV0.75eV1.25eVPhysics of Semiconductor Devices典型的InGaAs/InP 单和双异质结双极型晶体管（SHBT和DHBT）Physics of Semiconductor DevicesSiGe的制备方法有：MBE、UHV/CVD等较好的是：UHV、CVD， 温度低、厚度均匀SiGe基区BJT的结构和工艺分子束外延MBE，超高真空化学气相沉积UHV/CVD