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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
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