InPInGaAsHBT频率特性分析.doc

豆丁网精品论文inp/ingaas hbt频率特性分析马晓晖，黄永清，吴强 北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京（100876） e-mail：摘 要：频响特性是 hbt 设计中应首先考虑的因素,而 ft ， f max 则是 hbt 最主要的频率性 能指标，本文基于 inp/ingaas hbt 器件的物理结构构建了小信号等效电路模型。对该模型 进行了理论分析和数值推导，借助 pspice 和 matlab 对该等效电路模型的频响特性进行了详 细的仿真分析，得出了影响 ft ， f max 的主要因素，同时比较了 pspice 和 matlab 两种软件的 优劣，对 inp/ingaas hbt 设计制作和性能优化具有一定的指导作用。 关键词：hbt，小信号电路模型，电流增益中图分类号：tn7221. 引言异质结双极型晶体管(hbt)自上世纪七十年代出现以来，因其具有高频、高功率密度、 高功率附加效率以及良好的线性而倍受人们关注，在微波和毫米波功率增益、超高速数字开 关电路、数字大规模集成电路以及光电集成等诸多领域得到广泛的应用，近年来随着 inp 材 料生长技术和器件制备技术的发展，inp 基 hbt 相对于 si 基 hbt 有着高频、高速和高电流 驱动能力、功耗小等诸多优点，使得它在数字、模拟电路和功率放大器中有着极大的应用潜 力，成为新一代微电子器件的研究热点1，2。inp/ingaas hbt 是正在发展的新型微波毫米波器件之一。它充分利用了 inp/ingaas 材 料的优点, 包括 ingaas 优越的电子传输特性、良好的表面及界面特性和较高的热导率。此 外, inp/ingaas hbt 在高速光通信中的广泛应用还因为该材料系与 1. 31. 55m 波长的光 电子器件在材料上是兼容的, 使光电单片集成成为可能。目前关于 inp/ingaas hbt 频率特性研究的报道并不多，且主要集中在载流子的输运机 制上，并未对内部结构参数及外电路特性对 inp/ingaas hbt 频率特性的影响做详细分析， 本文是在实验室研制成功 inp/ingaas hbt 器件的基础上，依据其物理结构和电流传输特性 提出了等效电路模型，并对其进行测试而提取出模型参数，在此基础上进行了详细的理论分析和数值仿真，得出了影响 ft ， f max 的主要因素，对 inp/ingaas hbt 设计制作和性能优化 具有一定的指导作用。2. inp/ingaas hbt 器件结构与小信号模型实际 inp/ingaas hbt 器件的物理结构如图 1 所示3：ingaas inp ingaasingaas ingaas inp图 1 inp/ingaas hbt 的结构图基于 hbt 器件的物理结构以及电流传输特性建立的 inp/ingaas hbt 高频小信号等效电路模型如图 2 所示4：图 2 inp/ingaas hbt 的高频小信号等效模型图 2 中的各个参数和图 1 中的物理量有一定的对应关系，如下3：re = re ( epi ) + ree（1）r = rrr+bx ( epi ) +bb（2）bbir = r22+ rcc + rsc ( epi )（3）cc ( epi )22其中： re ， rb ， rc 分别为发射区，基区，集电区总电阻，ree ， rbb ， rcc 分别为发射x极，基极，集电极接触电阻， re(epi ) ， rbx(epi ) ， rc (epi ) ， rsc (epi ) 分别为发射区，基区外部， 集电区，次集电区外部外延电阻， rbi 为基区本征电阻。当电极仅在器件一边存在时，相应的电阻 rb 或 rc 为式（2）或式（3）的两倍。图 2 中hbt 的跨导 gm 为：gm =qic kt（4）为 hbt 集电极电流的理想因子（ideality factor），一般而言可以取为 1.11.2，ic 为集电极 电流。图 2 中的其它参数为：g = gmc = c + c2= l w e+ gbede edcx depenbg = gc = ac= 2 (wb + seb )le2d（5）020cc xdepbcxmdep对于 hbt 来说，衡量其器件特性的指标有很多，但最主要的是电流增益截止频率5，6ft 和最高振荡频率 f max， ft 是指对交流信号具有电流放大能力的频率上限，定义为正向电流增益下降为 0db 时对应的频率，它与少子通过单个 hbt 器件的渡越时间有 关，渡越时间越短， ft 越高。f =1ect2（6） ec = e + b + sc + c其中，ec 为发射区集电区总电子渡越时间，e 为发射区时间常数，b 基区渡越时间，sc为发射区耗尽层渡越时间，c 集电区时间常数。c + cx 2xr c = e c = b =dep = (r+ r )c+ b bc （7）egb2dsc2vceccmnbsatdcf max 是指对交流信号具有功率放大能力的频率上限，定义为最大可达功率增益下降为0db 时对应的频率，它不仅与少子的渡越时间有关，而且还强烈依赖于基区电阻的取值，基7区电阻越小， f max 越高 。3. 仿真分析fmax ft8 rbcc（8）ft ， f max 是 hbt 两个最主要的性能指标，研究和优化这两个参数对提升 hbt 的性能 表现具有重要意义。图 3 是用 pspice 绘制的 hbt 高频小信号模型图8，其中交流信号源输 出电压幅度 0.1v，图 4 为输入输出电流波形（其中绿色曲线为输出电流波形，红色曲线为 输入电流波形）。图 5 显示了 hbt 电流增益随频率的变化关系，由图 5 可以看出，随着信 号源频率的增加，增益开始下降。当频率增加到约 15.323ghz 时，增益降为 1。此频率就是fthbt 的 截至频 率ft 。根 据公 式fmax =8 rbc jc计算得 到 hbt 的最 高振 荡频 率fmax =45.282ghz。由图可知，电流增益下降是输入端电流随频率增加而增大和输出端电流 随频率增加而下降共同造成的。因为电源为恒压源，所以可知输入电阻随频率增加而减小， 输出电阻随频率增加而增大。图 3 pspice 绘制的 hbt 高频小信号模型图 4 hbt 输入输出波形影响 ft ， f max 的因素有很多，下面就负载电阻，偏置电压及结构参数对 hbt 频率特ft性的影响做详细的仿真分析。因为有公式 fmax =8 rbc jc，知道 ft 的特性以后，就可以计算出 fmax 的变化趋势，所以后面主要讨论各参数对 ft 的影响，对 fmax 不做过多说明。图 5 hbt 电流增益变化曲线3.1 负载电阻对 hbt 频率特性的影响负载电阻 rl 对 ft 的影响的电路图如图 6（a）所示，其中 rl 变化范围是 0.1 到 50： 由图 6(b)可以看出，随着 rl 的增加，输入电流基本保持不变，输出电流却发生了明显的下 降。导致电流增益显著下降，图 6(c)显示了随着 rl 的增加，输出电压也在增加，但是其增 加速度比 rl 慢得多，从而导致了(d)图所示的随着负载电阻 rl 的增加，电路的电流增益在下 降，同时电流增益截止频率 ft 也 发生下降，所以在实际电路中应尽可能减小 rl 以改善 hbt的频率特性。(a)rl 变化时的 pspice 电路图(b)rl 变化时的电流输出波形(c)rl 变化时的输出电压波形(d)rl 变化时的电流增益变化曲线图 6 负载电阻 rl 对 ft3.2 偏置电压对 hbt 频率特性的影响的影响由于 inp 基 hbt 中各时间组分（式（6）所示）随外偏电压vbe 与vcb 的变化而变化，所以偏置电压的变化必然会对 ft 产生影响9，图 7 显示了不同偏压下，电流增益随频率的变化关系，从图中可以看出：当vcb 保持不变，vbe 减小时，电流增益增加，但是同时 hbt 截止频率下降很快。在需要较大电流增益而对带宽要求不是很高的时候，可以考虑通过降低 vbe 来获得更大的增益。由于 pspice 只能对单个电压值进行仿真，而且每次仿真所有元件的参数都要重新进行计算，计算量很大并且十分繁琐。使用 matlab 编程进行理论分析作为对 pspice 仿真不足之 处的补充是一个比较好的解决办法。图 8 通过 matlab 分析了vbe ，vcb 连 续变化时对 ft 的 影响。(a)vbe =0.64v，vcb =1.3v(b)vbe =0.76v，vcb =1.3v图 7 不同偏压下电流增益随频率的变化关系（a）vcb =1.3v 时， ft 随vbe 变化曲线(b)vbe =0.74v 时， ft 随vcb 变化曲线（c）vbe =0.5v 时, ft 随vcb 变化曲线(d)ft （vbe ，vcb ）图 8 ft 随vbevcb 变化关系图 8(a)可以看出，vbe =0.77v 左右时， ft 有最大值。选取合适的vbe ，可以获得最大的截止频率,(b)图显示了当vbe =0.74v 时， ft 几乎不受vcb 变化的影响，由（c）可以看出：当vbe 取不同值的时候， ft 还是会随vcb 变化而变化的。在vcb 小于 1.33v 的时候， ft 随着 vcb 的增加而增大，当vcb 大于 1.33v 以后， ft 基本保持不变。由此可见， ft 是一个与vbe 和vcb 同时有关的变化量，（d）图综合显示了这种变化，从图中可以看出：当vbe 低于 0.6v 时， ft 随vbe 的变化相对比较小，随vcb 的变化比较大，但是 ft 的数值很小。当vbe 在 0.6v 到 0.77v 之间变化时，ft 的值随vbe 的增加迅速增大，但是随vcb 的变化相对比较小。当vbe 在 0.77v 到 0.9v 之间变化时，ft 随vbe 的增加迅速降低，随vcb 的变化也比较缓慢。总之 ft 随vbe 变化的节奏要比vcb 快的多，且对于一定物理结构的 inp 基 hbt，总存在一个适当的 电压vbe 使得 ft 最大，由此可以看出，选择合适的vbe 的值是提高 ft 的关键，在此基础上 调节vcb 的大小可以进一步优化 hbt 的频率特性。从图 8 的 matlab 仿真可以看出，使用 matlab 虽然可以同时对几个电压连续变化进行仿真，但是却看不出电流增益的大小，如果实际电路对电流增益有要求的话，还是需要用 pspice进行仿真。这也是 pspice 难以被其它电路分析软件取代的原因。3.3 结构参数对 hbt 频率特性的影响除了 rl ，vbevcb 的变化对 ft 产 生影响外，hbt 的结构参数（如图 1 所示）也会对10ft 产生影响，这其中包括发射区，基区，集电区的厚度，各区电极接触层的宽度等，以下分析时只使其中一个参数改变，其他参数保持不变，仿真分析图如图 9 所示：(a) 发射区电极接触层宽度we 对 ft 的影响(b) 发射区厚度 x e 对 ft 的影响(c) 基区电极接触层宽度wb 对 ft 的影响(d) 基区厚度 x b 对 ft 的影响(e) 集电区电极接触层宽度wc 对 ft 的影响(f) 集电区厚度 x c 对 ft 的影响(g) 次集电区厚度 x sc 对 ft 的影响(h) 电极接触层间隔对 ft 的影响图 9 ft 随结构参数的变化从图 9 中各结构参数对 ft 的影响曲线可以看出：通过改变 inp 基 hbt 物理结构来改善频率特性的途径有很多种，例如减小基区电极接触层宽度（见图 c），增加发射区电极接触 层宽度（见图 a），适当减小基区厚度（见图 d），集电区厚度（见图 f），电极接触层间隔 sbe ，sbc 都可以达到提高 ft 的目的，而发射区厚度（见图 b），集电区电极接触层宽度（见 图 e），次集电区厚度（见图 g）对 ft 的影响则比较小。除了负载电阻，偏置电压，结构参数会对 inp 基 hbt 的频率特性产生影响外，器件的工作温度，各区的掺杂浓度也会对 ft 造成影响，限于篇幅，这里不作进一步的讨论分析。4. 结论本文基于 inp 基 hbt 器件的物理结构，建立了高频小信号等效电路模型，对该模型进 行了相应的理论分析和数值推导，并使用 pspice 和 matlab 两种工具对影响 inp 基 hbt 频率 特性的一些重要因素进行了详细的仿真分析，得出了一些有用的结论，对 inp/ingaas hbt 设计制作和性能优化具有一定的指导作用。文中对 hbt 的仿真使用了 pspice 和 matlab 两 种软件，这两种工具各有千秋，可以互相补充。在单管电路中，用 matlab 可以利用已有的 理论公式计算出电路中元件的参数，并用 pspice 进行进一步仿真。在集成电路中，理论公 式的计算变得极为复杂，本文中设计的 hbt 单管模型可以作为子电路嵌套在更复杂的电路 中，这也是 pspice 相对于 matlab 的一个很大的优势11。参考文献1 hu h y, zhang h m, dai x y et al 2004 act, phys. sfn. 53 4314 (in chinese)【胡辉勇、张鹤鸣、戴显英等2004 物理学报 53 431412 l11 y, zhang h m, dai x y et al 2004 acres phys. sin. 53 3239(in chinese) 吕如、张鹤鸣、戴显英等 2004物理学报 53 32393 w. liu, “fundamentals of iii-v devices: hbts, mesfets, and hfets/hemts”, new york, wiley, 1999. 4 崇英哲，“单片集成及新型光接收器件的研究”，博士论文，北京邮电大学，20045 delong cui. “inp-based materials and heterostructure devices, and their applications in monolithic integratednpn and pnp hbt circuits，” dissertation of the university of michigan, 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