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1、,Physics of Semiconductor Devices,异质结双极晶体管,3.133.14,半导体器件物理,Heterojunction Bipolar Transistor,W.B.肖克莱于1951年提出这种晶体管的概念,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
2、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：,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。,1、反型异质结：这是指由导电类型相反的
3、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。,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
4、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,III-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,AlxGa1-xAsx=0：GaAsx=1：AlAs,对于0 x0.45，方向上的禁带宽度Eg 小于X方向和L方向上的禁带宽度EgX 和EgL，写作：,对于0.45x 1，X方向上的禁带宽度EgX 小于 方向和L方向上的禁带宽度Eg和EgL，写作：,Eg随x增加而增加之外，当x 0.45 时，由于EgX Eg，材料由直接带隙转变为间接带隙
5、；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：,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,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
6、做的功,两个概念：,禁带宽度差是导带差与价带差的和：,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=13.1-3.0 x,空间电荷区边界,二次积分：,且取1(-xp)=0,得：,可得P区的自建电势为：,x=0,取2(xn)=0为整个内建电势差，则N区的电势分布为：,x=
7、0,N区的自建电势差为：,x=0，1(0)=2(0)，则有：,可改写为,热平衡异质结GaAs-AlxGa1-xAs,P侧N侧耗尽层宽度分别为：,Naxp=Ndxn,Na xp=Nd xn,电中性要求：,热平衡N-AlxGa1-xAs/GaAs异质结能带图,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,P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
8、能级向下移动qVR。,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。,NPN异质结双极型晶体管能带图,具有宽禁带发射区,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,根据：,
9、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、xBLn,则有：,注入比：,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：,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
10、，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,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5
11、1018 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 HBT,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。I
12、n0.53Ga0.47As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 HBT,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S
13、i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 HBT,五 常见的BHT结构,NPN型GaAlAs/GaAs晶体管结构,1.56eV,0.75eV,1.25eV,典型的InGaAs/InP 单和双异质结双极型晶体管（SHBT和DHBT）,SiGe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,
