（物理电子学专业论文）hbt模型参数提取方法及inp基单片集成器件的研究.pdf

嚣索郎泡久学褥- ? 学位论文攘簧 h b t 模型参数提取方法及i n p 基单片集成器件的研究 摘要 本论文工作是围绕本论文工作是围绕国家重点基础研究发展计 划( 9 7 3 计划) 项目( n o 。2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 、国家高科技研究发展计 划( 8 6 3 计划) 项目( n o 2 0 0 3 a a 3 1 9 0 5 0 、n o 2 0 0 6 a a 0 3 2 4 1 6 和 n o 2 0 昕怠构3 2 4 1 8 ) 、国家自然科学基金项墨( n o 6 0 5 7 6 0 1 8 ， n o 9 0 6 0 1 0 0 2 ) 、国际科技合作重点项目计划项目( n o 2 0 0 6 d f b ll l1 0 ) 展开的。 当前，随着通信技术的迅速发展、终端客户的迅猛增加及对带宽 需求的不断增大，光纤通信正向着智能化、集成化、低成本和高可靠 性的新一代光纤通信演进。光电集成电路较之分立的光电组件具有尺 寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可靠性高等 诸多优点，满足了光通信进一步发展的要求，因此成为全世界光通信 和光电子领域所共同关注的研究热点和重大课题。 i n p 基异质结双极晶体管( h b t ) 是长波长光电集成电路中必不 可少的关键器件之一，在微波等领域具有极其广阔的应用前景。因此 深入系统地研究i n p 基h b t 器件的建模和应用具有极其重要的意义。 在任晓敏教授的精心指导下，本沦文针对i n p 基h b t 的建模方 法，特别是大信号模型的建立，及在单片集成光接收前端器件的制备 方面展开了深入细致的研究。取得的主要研究成果如下： 1 从材料物理特性出发，分析了h b t 的物理结构、性能参数。推导 出各个参数的表达式，研究了在不同条件下，i n p 基h b t 主要物 理参数的变化情况。基于以上分析，提出了i n p 基h b t 设计的优 化方案。 2 参与研制了i n p 基h b t ，测试了分立器件的直流与高频特性。其 中2 u mt 艺的i n p 基h b t ，测得开启电压为0 3 5 v 、直流增益达 到8 0 倍、截至频率约为4 0 g h z 。 3 。研究了h b t 小信号模型参数的提取方法，采用一种联合提取器件 小信号模型参数的新方法。提取步骤为：基于寄生参数与器件工 作状态无关的特点，利用强正偏和强反偏下的s 参数和线性回归 分析提取出了器件的寄生参数；通过矩阵运算去除晶体管寄生部 分对s 参数的影响，并利用电路网络拓扑变换与线性回归分析提 北索鄢电天警簿l ：学位论文擒要 取出了器件的本征参数；以提取出的模型参数作为初始值，利用 自适应优化算法进一步确定出与实际测量结果更加符合的模型参 数，减少了在提取过程中由于数据拟合导致的误差。经比较，模 型s 参数的仿真结果与器件实测结果符合地很好。 4 对h b t 大信号模型参数的提取方法进行了深入细致的研究，根据 大信号模型3 0 个常用参数的不同物理特性，将其分成c - v 参数、 电阻参数、厄利电压参数、直流输出参数、输入阻抗参数和传输 时延参数。依据每类参数的不同特点，分别设计出参数提取方法 并构建测试平台。经比较，提取出的大信号模型在直流、交流方 蔼均能准确地表征器件的实际特性。 5 。利用建立的h b t 模型设计了多种形式的前端放大电路。对电路进 行直流及高频特性的仿真，根据仿真结果对电路形式进行优化与 对比，选择出性能优异、结构相对简单的电路形式，为单片集成 光接收机前端的制备提供支持。 6 参与研制了p i n + h b t 形式的单片集成光接收前端。探测器台面 面积为2 2 2 2 u r n 2 、h b t 采用3 u m 工艺、放大电路采用跨阻负反馈 单极共射结构。当探测器加2 5 v 反向偏压，电路加2 v 偏压时， 测褥集成前端的3 d b 带宽达到3 g h z 。 关键词：异质结双极晶体管( h b t ) h b t 建模参数提取 光电集成电路( o e i c ) 单片集成光接收前端 珏 北京邮电大学博士学位论文 p a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o d sf o rm o d e l l i n g h b ta n dr e s e a r c h e so n i n p b a s e dm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dd e v i c e a b s t r a c t t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yg r a n t sf r o mt h en a t i o n a l b a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 1 ) ，t h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 3 a a 3 19 0 5 0 ，n o 2 0 0 6 a a 0 3 2 4l6 ，n o 2 0 0 7 a a 0 3 2 418 ) ，t l l e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 5 7 6 018 ，n o 9 0 6 010 0 2 ) a n dp r o g r a mo fk e yi n t e r n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o o p e r a t i o np r o j e c t s ( 2 0 0 6 d f b 11 110 ) t o d a y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fb a n d w i d t ha n dn u m b e ro ft e r m i n a lc l i e n t s ， f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o nu n d e r g o e se v o l u t i o nt o t h en e wg e n e r a t i o n w i t h i n t e l l i g e n c e ，i n t e g r a t i o n ，l o w c o s ta n d h i g hr e l i a b i l i t y o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( o e i c s ) h a v ea d v a n t a g e so v e rd i s c r e t e o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e si ns m a l l e rd i m e n s i o n ，1 0 w e rp a r a s i t i c s ，l o w e rc o s t ， b e t t e rp e r f o r m a n c ea n dh i g h e rr e l i a b i l i t y t h e s em e r i t sm a k ei ts u i t a b l ef o r t h ed e v e l o p m e n to ff i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n o e i c sh a v ea l r e a d y b e c o m ee x t r e m e l ya t t r a c t i v ed o m a i na st h er e s e a r c hs u b j e c ti nt h ea r e ao f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n do p t o e l e c t r o n i c s i n p b a s e dh e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ( h b t ) i st h ee s s e n t i a l e l e m e n ti nl o n gw a v e l e n g t ho e i c s ，f u r t h e r m o r e ，a n di th a se x t e n s i v e a p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do fm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ，a n ds oo n t h u s d e e pr e s e a r c h e s o ni n p b a s e dh b tm o d e l i n gm e t h o da n di t s a p p l i c a t i o nh a v ee x t r e m e l yi m p o r t a n tm e a n i n g s u p e r v i s e db yp r o f x i a o m i nr e n ，a n dt h r o u g hp a r t i c i p a t i n gi nt h e p r o j e c t sr e l a t i v et oo e i c s ，t h ea u t h o rf o c u s e dr e s e a r c h e so nt h em o d e l i n g m e t h o do fi n p b a s e dh b ta n di t sa p p l i c a t i o ni nm o n o l i t h i ci n t e g r a t e d p h o t o r e c e i v e rf r o n t - e n df a b r i c a t i o n r e s e a r c hr e s u l t s a c h i e v e da r el i s t e d b e l o w 1 s t a r t i n g f r o mp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s ，t h ep h y s i c a l i i i l 艺塞郏电大学媾上学位论文a b s t l 淤c t s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fh b th a v eb e e na n a l y z e d t h ee x p r e s s i o no fe a c hp a r a m e t e rh a sb e e nd e r i v e d ，t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tc o n d i t i o n so np h y s i c a lp a r a m e t e r so fi n p b a s e dh b th a v e b e e ns t u d i e d t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ri n p b a s e dh b th a sb e e n p r e s e n t e db a s e d o na b o v ea n a l y s i s t h ei n p - b a s e dh b th a sb e e nf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y , a n dt h es e t u p f o rd e v i c et e s th a sb e e nc o n s t r u c t e d t h ed ca n da cc h a r a c t e r i s t i c s o fh b th a v e b e e nt e s t e du s i n gt h i ss e t u p t h et e s t i n gr e s u l t so f2 1 t m s i z es t y l eo fi n p - b a s e dh b ta r el i s t e da sf o l l o w ：t u r n o nv o l t a g ei s 0 3 5 v ，d cc u r r e n tg a i ni s8 0 ，a n dc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yf ti sa b o u t 4 0 g h z p a r e m e t e re x t r a c t i o nm e t h o df o rh b ts m a l l s i g n a lm o d e lw a ss t u d i e d ， a n dan e wj o i n tp a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o dw a sp r e s e n t e d t h e e x t r a c t i o np r o c e d u r ei ss h o w nb e l o w ：b a s e do nt h ef a c tt h a tp a r a s i s t i c p a r a m e t e r s h a v en oc o n c e r nw i t hb i s e d c o n d i c t i o n ，p a r a s i s t i c p a r a m e n t e r sh a v eb e e ne x t r a c t e du s i n gl i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sa n d s p a r a m e t e r sm e a s u r e di ns t r o n gr e v e r s eb i a s e da n ds t r o n gr e v e r s e b i a s e dc o n d i c t i o n s ；t h es - p a r a m e t e r so fh b ti n t r i n s i cp a r tw a s o b t a i n e du s i n gd e e m b e d i n gm e t h o d ，t h e ni n t r i n s i cp a r a m e t e r sw e r e e x t r a c t e db ym e a n so fc i r c u i tt o p o l o g yt r a n s f o r m a t i o na n dl i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s i s ；t a k e ne x t r a c t e dp a r a m e t e r sa si n i t i a lv a l u e s ，m o r e a c c u r a t em o d e lp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e db a s e do n a d a p t i v e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h i so p t i m i z a t i o ns t e pc a nd e c r e a s ef i t t i n g e r r o ro fl i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s 。b yc o m p a r i s i o n ，s - p a r a m e t e r s s i m u l a t e dw i t ht h ee x t r a c t e dm o d e lh a v eag o o da c c o r d a n c ew i t h m e a s u r e ds - p a r a m e t e r s p a r a m e t e re x t r a c t i o nm e t h o df o rh b tl a r g e - s i g n a lm o d e lw a ss t u d i e d d e e p l y ，b a s e do nd i f f e r e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，t h e3 0c o m m o n l yu s e d p a r a m e t e r so fl a r g e s i g n a lm o d e lw e r ed i v i d e di n t os e v e r a lt y p e s ，t h a t i sc vp a r a m e t e r s ，r e s i s t o rp a r a m e t e r s ，e a r l yv o l t a g ep a r a m e t e r s ，d c p a r a m e t e r s ，i n p u ti m p e d a n c ep a r a m e t e r s a n dt r a n s m i s s i o nd e l a y p a r a m e t e r s 。t h ee x t r a c t i o nm e t h o df o rp a r a m e t e r so fe a c ht y p ew a s r e s e a r c h e da n dt e s t i n gp l a t f o r mw a sc o n s t r u c t e d b yc o m p a r i s i o n ，t h e e x t r a c t e dl a r g e s i g n a lm o d e ls h o w sag o o da g r e e m e n tw i t hm e a s u r e d i v 2 3 4 能京郎嘏夫学蒋壹学位论文 d ca n da cc h a r a c t e r i s t i c s 5 s e v e r a lt y p e so fp r e a m p l i f i e rw e r ed e s i g n e db a s e do i lt h ec o n s t r u c t e d h b tm o d e l 。t h ed ca n da cc h a r a c t e r i s t i c so fp r e a m p l i f i e r sw e r e o b t a i n e du s i n gt h ec i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r e n e x t ，o p t i m i z a t i o na n d s e l e c t i o nc o u l db ed o n ea m o n gd i f f e r e n tp r e a m p l i f i e r sa c c o r d i n gt o s i m u l a t e dr e s u l t s t h e n ，t h ef i n a lc i r c u i tw i t he x c e l l e n c ep e r f o r m a n c e a n de a s yt ob ef a b r i c a t e dw a sd e t e r m i n e df o rt h ed e s i g no fm o n o l i t h i c i n t e g r a t e dp h o t o r e c e i v e rf r o n t e n d 6 t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dp i n + 嬲p h o t o r e c e i v e rf r o n t - e n dh a s b e e nf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y 。两ei n c i d e n c ea r e ao fp i nw a s 2 2 x 2 2，h b t，umzi n p - b a s e dw a s3 z ms i z es t y l ea n dt r a n s i m p e d a n c e n e g a t i v ef e e d b a c ko n es t a g ec o m m o n e m i t t e ra m p l i f i e rw a sa d o p t e d 骚穗e nt h ed e t e c t o rw a si n v e r s e l yb a s e da t2 5 va n dt h ec i r c u i tw a s b a s e da t2 v 。t h ef r o n t e n d3 d bb a n d w i d t ho v e r3 g h zw a so b s e r v e d 。 k e yw o r d s ：h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ( h b t ) h b t m o d e l i n g p a r a m e t e r e x t r a c t i o n ； o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ( o e i c ) m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dp h o t o r e c e i v e rf r o n t e n d v 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 墨g ：至， 日期：2 丝星：21 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 同期：呈丝翌! 笪! 丝 日期： 2 幺2 星笸s2 1 恐寒郑邀大学 毒士学位论文绪论 第一章绪论 随着高速、大容量、长距离传输为特征的光纤通信技术的日益发展，对器件 性能的要求也越来越高。而异质结双极晶体管( h b t ) 具有截止频率高、电流驱 动能力强等优点而倍受人们关注。嘲于材料生长技术和器件制作工艺水平的不断 成熟和发展，h b t 的性能获褥了不断的提高，并在通信领域具有葚基常广阔的应 用前景。 本论文工作是围绕本论文工作是围绕国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目( n o 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 、番家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划 项目 ( n o 2 0 0 3 a a 3 1 9 0 5 0 、n o 。2 0 0 6 a a 0 3 2 4 1 6 和n o 。2 0 0 7 a a 0 3 2 4 1 8 ) 、图家自然科学 基金项目( n o 6 0 5 7 6 0 1 8 ，n o 9 0 6 0 1 0 0 2 ) 、国际科技合作重点项目计划项目 ( n o 2 0 0 6 d f b l l l l 0 ) 展开的。在任晓敏教授的精心指导和课题组老师的带领下， 笔者与其他同学共同对异质结双极晶体管( h b t ) 翻单片集成光接收前端进行了 理论和实验的研究工作。 1 1h b t 概况 上世纪四十年代，第一个晶体管的出现，标志者电予学新时代的来临，随后 集成电路的出现加速了微电子学的发展。双极型晶体管作为传统的半导体器件在 微电子领域尤其在高速器件和电路方瑟起着非常重要的作用。但双极型最体管 ( b j t ) 在微电子领域中的统治地位自m o sf e t 技术出现后，受到较大的影响。 h b t 的研究与普通的b j t 几乎同时起步，早在晶体管发明后的第二年( 1 9 4 8 年 ，s h o c k l e y 就申请了h b t 的专利i l l ，并在1 9 5 1 年，首先提出异质结概念。 之后不久，a l f e r o v 与k r o e m e r 在l l i v 半导体异质结构方面作出了开创性的杰 出贡献m j ，现代异质结构物理学和电子学因此而创立，二人因此荣获2 0 0 0 年度 诺贝尔物理学奖。 僵蠢子生长技术的限制，壹到7 0 年代初d u m k e 等人才第一次剥爰液褶终延 技术( l p e ) 成功制作出a i g a a s g a a sh b t t 川。进入7 0 年代后，随着金属有机 物化学气相沉积( m o c v d ) 、分子束外延( m b e ) 等薄膜材料生长技术的诞生 和发展，h b t 的优良性能才得以充分实现。此后各种材料体系纷纷涌现，h b t 的性能不断提高，h b t 器件与相关电路获得迅速发展。进入8 0 年代以来，随着 m o c v d 、m b e 等超薄外延层生长技术的成熟与完善，已可以制得具有特定能 带结构、实现特定功能的h b t 。不同材料体系的新型h b t 研制成功且表现出优 北京邮电人学博 ：学位论文绪论 良的性能，这些优势预示着新型的双极型器件即将获得广泛的应用。其中，具有 更好性能的i n g a p g a a s 和i n p i n g a a sh b t 材料体系也开始引起人们的关注。 1 9 8 4 年，k a n b e 等用l p e 成功制备出了i n p i n g a a sh b t ；19 8 5 年，m o n d r y 等 用m b e 技术研制出了i n g a p g a a sh b t 。 1 2 h b t 建模方法简介 随着材料生长技术和器件制作工艺的不断成熟和发展，h b t 的性能不断得 以提高，在通信领域具有非常广阔的应用。因h b t 具有高速、高驱动能力等优 点，使其可以应用在越来越多的场合，如超高速光接收机、低噪声放大器、振荡 器、混频器等等。然而，随着h b t 应用范围的扩展，对h b t 电学特性的建模变 得尤为重要。 h b t 的模型主要分为大信号和小信号模型两种1 4 - 7 j 。大信号模型中含有较多 的参数，可以准确且详细地描述h b t 多种特性。大信号模型能完整描述器件的 直流、交流等特性，但模型的提取过程相当繁琐，且要求较高的测量精度和有效 的参数处理方法。小信号模型可以认为是大信号模型在特定偏置点附近的线性简 化，虽然模型所包含的参数大为减少，然而在描述器件于特定偏置附近的电特性 时仍具有较高精度。由于小信号模型包含的参数少、物理意义明确、提取方法简 单，该模型有着广泛的应用。 图1 - 1小信号等效电路模型 考虑到器件外围引线和压焊点引起的寄生效应后，h b t 的小信号电路模型 如图1 1 所示。该模型包含了电极处的接触电阻兄、r 、r ；引线的寄生电感厶、 t 、t ；压焊点的寄生电容c p b e 、c 名。其中心、c 0 、c k 、r ，、 c 、 ( 压控流源) 构成 的本征区，这些参数由偏置条件决定，与a v c c sh b t h b t 的工作状态有关。c ，是本征基极一发射极电容；c 0 与c ：分别为本征和非本征 2 北京邮电人学博。l ：学位论文绪论 的基极一集电极电容；r ，为本征基极一发射极电阻；r ，为本征基极一集电极电 阻。通常有非常高的值，因此它的影响可以被忽略。然而，出于完整性的考 虑，将它包括在我们的模型中。g 和g ，。分别为高频小信号和直流跨导；r i 是 本征基区体电阻；f 是延迟时间。 大信号模型也称为工业模型，因其考虑了晶体管的多种效应，而能更为精确 地表征实际器件的特性。目前有常用的大信号模型有e m 、g p 、v b i c 、 m e x t r a m 、h i c u m 等模型。e m 模型提出较早，模型也较为简单，是一种非 线性直流模型，其模型等效电路包括2 个二极管和2 个电流源。二极管和器件的 结相对应，用于表征载流子的入射效应；电流源表征载流子的渡越。在e m 模型 的基础上进一步考虑非线性电荷存贮效应、欧姆电阻和各种二阶效应，即可构成 e m 3 模型。由于e m 模型相对简单，物理意义较不明确，所以在准确表征h b t 特性方面有所欠缺。g p 模型与e m 模型相比，物理意义更为明确，由此也成为 b j t 的工业标准，g p 模型建立了端电流和基区少子载流子存储效应的关系，使 得该模型和e m 模型相比物理意义更为明确。g p 模型包含3 个电流源、2 个电 容和4 个串联电阻，其中2 个串联电阻分布在基区，另2 个分别位于发射区和集 电区。模型虽存在多种限制，但迄今为止仍没有一个能被广泛接受的模型可以替 代。v b i c 、m e x t r a m 、h i c u m 等模型结构复杂，在模型中详尽考虑了b j t 中的各种物理效应，虽然模型能更为精确的表征器件的电学特性，但参数提取相 对复杂，新模型的开发周期长、难度大，模型方程及相关参数提取算法的最终确 定必须以大量的测试、统计数据为基础，给器件参数提取工作带来了极大的困难。 因而在大多数应用中，g p 模型成为表征h b t 特性的一种可选模型，g p 模型的 电路结构如下图所示： 图1 - 2g p 模型电路结构 1 3 单片o e i c 光接收机的发展现状 1 9 5 8 年基比尔( k i l b y ) 发明了硅基微电子集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) ， 3 蔻索酃f 毡夫警潘l ：擎使论文 绪论 近半个世纪以来，这项革命性的技术深刻地影响了人类社会，彻底地改变了人们 的生活方式，将入类社会由工业文明带2 - 至u 信息文明时代。 作为光电子器件应用的重要领域，光纤通信与光电信息处理技术的飞速发展 对光电子器件的灵敏度、响应速率、稳定性、集成化等：疗面也提出了更高的要求。 由于分立器件和电路本身的物理限制，已经不能同时满足以上的要求。光电集成 器件较之分立封装的光电缓件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、 性能优越和可靠性高等诸多优点，满足了光通信进一步发展的要求。光电集成 h b t 静基区可以傲捌高掺杂，从而减弱了基区宽度调制效应及集电极 电流随电压的变化，降低了h b t 的( 共射) 输出电导。所以h b t 具有较高 的线性和直流电压增益。模拟f e t 的输出电导受沟道衬底删的漏电流和陷阱的 影响，其漏极电流一电压特性随着频率而变化，故不适用于高精度的模拟电路。 相比之下，h b t 在模拟电路中的作用雯为重要。 ( 3 ) 纵向结构使得h b t 的发射区可全部用于传导电流，而横向结构的f e t 北京邮i 乜人学博l 学位论文h b t 器件概述 只有薄薄的一层沟道可导通电流，因而h b t 的单位有效面积可流过较高的电流。 因此，h b t 与f e t 相比有更大的电流处置能力和更高的传输电导。 ( 4 ) h b t 的闽值电压由b e 结内建电势差决定，而对于f e t ，则由工艺参 数( 如沟道掺杂和厚度) 决定，因此h b t 比f e t 具有更好的阈值电压一致性。 ( 5 ) f e t 中载流子在表面和衬底界面之间流动，严重受到陷阱的影响。而 h b t 的有源结区与表面和衬底界面相隔离，因而陷阱影响较弱，1 f 噪声较低。 ( 6 ) 作为双极型器件，h b t 的击穿电压可以通过外延生长改变集电区的掺 杂和厚度来直接控制。此外，h b t 可以制作成互补形式( 即可以实现n p n 和p n p 两种形式) 的晶体管，而f e t 则不具备这种灵活性。 2 3h b t 的电流构成 下图为典型的突变结h b t 电流分布示意图。 图2 2突变h b t 电流分布示意图 图中各电流的物理意义如下： ，。：电子由发射区注入到基区成为基区的少子所形成的电子电流； ，。：基区空穴向发射区反向注入所形成的空穴电流； ，。：异质结空间电荷区的复合电流； ，：基区的体复合电流。 由图2 2 可知，h b t 各极的电流组成成份为： 发射极电流：l - l + ，+ ； 基极电流： 厶一i p + + l ； 集电极电流：，c l 一 于是由电流增益的定义有： 卢，生；且 ( 2 1 ) i b lp + i s + ir 注入比是双极晶体管的重要参数。注入比是指b e 结加正向电压时，n 区向 p 区注入的电子与p 区向n 区注入的空穴之比。对于突变异质结，注入比为【1 】： 1 2 能京郎电久学僻j i ：学位论文 h b t 器侔械述 争，辫e x p 肖 陋2)kt l pd 口e x b n 3 1、。 * 钆 d 为扩散系数、为掺杂浓度、x 为外延层厚度、a e , 为导带能隙差。对于 戮t 器件峨两，要提高多崧须增大注入比。从土恧公式中可以看到，由于p n 结两边的扩散系数与外延层厚度相差不大，要提高注入比，e 区的掺杂浓度必须 远大予b 区掺杂浓度。而对于h f f i 器件，由于撼的存在，即使e 区低掺杂，b 区商掺杂，也可以获得离的注入沈。对于甄胁g a a s 构残静p n 结海铡： e x p ( a e 。 6 。由此可见， 可以获褥很高的注入比。, k r ) = l 6 9 x 1 0h b t h b t 的基区电流对器件的放大倍数及高频特性有很大影响，而且相对于发 射极和集电极电流，其电流值很小，器件性能对其变化敏感，所以笔者对基极电 流进行了分析与修正： e匪1 tt e l i 4 l 1 3 2 b a s e c o l l e c t o r 图2 - 3突变h b t 基极电流分布示意图 h b t 的基极电流包括5 部分，如图2 3 所示，分别是： 表面复合电流( s u r f a c er e c o m b i n a t i o nc u r r e n t ) 电极接触表面复合电流( b a s ec o n t a c tc h a r g er e c o m b i n a t i o nc u r r e n t ) 基区的体复合电流j ，( b u l kr e c o m b i n a t i o nc u r r e n ti nb a s er e g i o n ) 异质结空间电荷区的复合电流，。( b u l kr e c o m b i n a t i o nc u r r e n ti ns p a c e c h a r g e r e g i o n ) 基送空穴向发射区反向注入所形成的空穴电流z 。( 图中来菡出) 要提高h b t 的放大倍数及高频特性必须提高基区的体复合电流t 在基极电 流中占的比例，尽量减少其他电流的影响。电极接触表面复合电流及异质结空间 电荷区的复合电流相对予其他电流而言比较小，一般可以忽略。对于g a a s 材料 表面复合速率很大( 复合速率为l * l o m s ) 。所以表面必须做好钝化。i n g a a s 的表面复合速率为1 1 0 3 c r r d s ，比g a a s 小很多。但表面复合电流相对于其他的 寄生电流比较大，所以表面钝化也是必不可少的圈。 薹3 北京邮屯大学博 ：学位论文h b t 器件概述 2 4h b t 器件的常用材料体系 目前主要有g a a s 、g e s i 、i n p 和g a n 等几种材料体系可用于h b t 制备。对 于g a n 材料，由于它们具有宽禁带、高电导率、高击穿场强等特性，可以广泛 应用于高温、大功率以及抗辐射领域。 g e s i 、g a a s 、i n p 基h b t 均可应用于微波和毫米波领域。就频率特性而言， 从低到高的排列为g c s i 、g a a s 、l a p 体系。0 4 年商业化h b t 比较如下： 表2 - 1 不同材料系商业化h b t 特性 材料系 特征尺寸( 胁)截止频率( g h z )晶圆尺寸( 英寸) g e s io 2 59 0 1 0 08 1 2 g a a s1 6 0 7 0 6 i i i p13 0 0 4 g c s i 材料系【3 叫 g e s i 系由于工艺可与成熟的s i 集成电路工艺技术相互兼容，并且成本低、在 价格上有很大的优势，因而引起人们极大的研究兴趣。与传统的s i 双极晶体管相 比，g c s i s ih b t 具有很多优点： ( 1 ) 截止频率高，s i g e s i 以g e ，x s i l i 应变层作为基区，可以得到高注入效率； 同时可以在基区引入一内建场，从而减少了基区的渡越时问，改善了器件的频率 特性。 ( 2 ) 基区掺杂浓度高，高的基区掺杂浓度可以减小基区电阻，目前g e s i s ih b t 在科研与商业方面得到了广泛得研究，并取得了巨大进展。在射频及微波方面不 断得到应用，商业化的器件与模块也不断推向市场。 g e s i s ih b t 缺点是材料能带间隙大，无法用于光通信，而且材料间晶格失 配随着g e 组分增大而增大，晶体生长困难。 g a a s 材料系【 1 0 l g a a s 系由于具有高可靠性及相对成熟的工艺，使得它在射频及微波领域有 着广泛的应用前景。g a a s 材料系的h b t 主要有a i g a a s g a a s 和g a l n p g a a s 两种形式的h b t 。 a i g a a s g a a sh b t 的优点为： ( 1 ) a i g a a s g a a s 的晶格匹配非常好，当组分任意变化时，a i g a a s 与g a a s 可以一直保持晶格匹配。因此a i g a a s g a a s 的组分控制难度低，材料容易生长。 ( 2 ) g a a s 的带隙较宽，本征载流子浓度低，约为2 x 1 0 1 6 c m 一，本征材料的电 阻率约为5 x 1 0 8 q c m1 1 l 】，是很好的半绝缘体。用作衬底时，g a a s 器件互联直接 的电容很小，可以忽略不计。 1 4 裁隶邮电夭学褥学位论文h b t 瓣件概述 a i g a a s g a a s 的缺点为： ( 重) a i 的化学性质活泼并极易氧纯、而且很容易形成深能级复合中心而使器 件的性能以及可靠性下降。 ( 2 ) a i g a a s g a a s 材料的带隙差大，而且带隙差主要是导带不连续，因此发 射极的导带势垒很大，h b t 的开启电压高。 ( 3 ) a i g a a s g a a s 的材料选择腐蚀性差，器件制作工艺难度大。 9 0 年代后，g a m g a a sh b t 被广泛研究，并且逐渐替代触g a a s g a a s 成为 制作h b t 的主要材料之一。g a l n p g a a sh b t 与a i g a a s g a a s 棚玎相比具有许多 优点： ( 重) g a i n p 材料中没有a l 组分氧化的阆题，因此g a i n p g a a sh b t 的稳定性好， 寿命长。 ( 2 ) g a i n p g a a s 材料与a 1 g a a s g a a s 材料相比，导带间隙揖几乎相同，而 价带间隙a e v 较大，g a i n p g a a s 为0 2 4 e v ，a i g a a s g a a s 为0 1 3 e v 1 2 1 。因此 g a i n p c m a _ sh b t 的电子注入效率更高。 ( 3 ) g a l n p g a a s 的界面复合速率小于a i g a a s g a a s 的界面复合速率【1 引，因此 h b t 的1 f 噪声