異質結雙極電晶體

異質結雙極電晶體

異質結雙極電晶體是指發射區、基區和收集區由禁頻寬度不同的材料製成的電晶體.異質結雙極電晶體與傳統的雙極電晶體不同,前者的發射極材料不同於襯底材料,後者的整個材料是一樣的,因而稱為異質結器件。

異質結雙極電晶體

異質結雙極電晶體HBT(HeterojunctionBipolorTransistar)是指發射區、基區和收集區由禁頻寬度不同的材料製成的電晶體.異質結雙極電晶體與傳統的雙極電晶體不同,前者的發射極材料不同於襯底材料,後者的整個材料是一樣的,因而稱為異質結器件。異質結雙極電晶體的發射極效率主要由禁頻寬度差決定,幾乎不受摻雜比的限制。這就大大地增加了電晶體設計的靈活性。

1998年10月IBM首次量產鍺矽異質結雙極電晶體(SiGe HBT)。由於SiGe HBT具有GaAs的性能,而與矽工藝的兼容性又使其具有矽的低價格,因此SiGe技術獲得了長足的進展, SiGe HBT技術已成為RF積體電路市場的主流技術之一,並對現代通信技術的發展產生了深遠的影響。HBT基的射頻集成電路(RFIC)已在蜂窩行動電話末級功率放大器、基站驅動級、有線電視的光纖線路驅動器上獲得成功,證明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。

異質結雙極電晶體類型很多,主要有SiGe異質結雙極電晶體, GaAlAs/GaAs異質結電晶體,和NPN型InGaAsP/InP異質結雙極電晶體, NPN AlGaN/GaN異質結雙極電晶體等.

異質結雙極電晶體是縱向結構的三端器件,發射區採用輕摻雜的寬頻隙半導體材料(如GaAs、InP),基區採用重摻雜的窄帶隙材料(如AlGaAs、InGaAs)。ΔEg的存在允許基區比發射區有更高的摻雜濃度,因而可以降低基極電阻,減小發射極-基極電容,從而能得到高頻、高速、低噪聲的性能特點。由於ΔEg>0、並且有一定的範圍,所以電流增益也很高,一般直流增益均可做到60以上。特別值得指出的是,用InGaAs作基區,除了能得到更高的電子遷移率外,還有較低的發射極-基極開啟電壓和較好的噪聲特性。它的閾值電壓嚴格的由ΔEg決定,與普通的FET的閾值電壓由其溝道摻雜濃度和厚度決定相比容易控制、偏差小且易於大規模集成。這也是HBT重要的特點。HBT的能帶間隙在一定範圍內可以任意地進行設計

異質結雙極電晶體的結構特點是具有寬頻隙的發射區,大大提高了發射結的載流子注入效率。HBT的功率密度高,相位噪聲低,線性度好,單電源工作,雖然其高頻工作性能稍遜於PHEMT,但它特別適合在低相位噪聲振盪器、高效率功率放大器、寬頻放大器中套用。

下表是RF IC的幾種工藝的性能比較:

異質結雙極電晶體異質結雙極電晶體

最近幾年,除GaAs基的HBT已達到了相當好的速度,如fT=170GHZ以外,InP基的HBT發展也很快,其最好的器件fT及fmax已超過200GHZ,SiGeHBT則是近年來人們十分重視的器件;主要原因是矽的VLSI發展已很成熟,SiGeHBT可以借用VLSI的工藝較快用到微電子領域。近幾年已有報導採用商用的超高真空CVD(UHVCD)設備在8″CMOS線上製作的SiGe外延材料製作的HBT,形成12位數模轉換器,其工作速度達1GHZ,比矽器件要快很多,而功耗延遲乘積也優於已實用的三五族化合物材料的異質結器件。

典型的InGaAs/InP 單和雙異質結二級型電晶體(SHBT和DHBT)如下圖:

異質結雙極電晶體異質結雙極電晶體

SHBT和DHBT由多種材料的化合物製成,起始於襯底。

InGaAs/InP是一種很重要的HBT材料.InGaAs/InP相比於其他材料的優點

InGaAs中的高電子遷移率(GaAs中的1.6倍,Si中的9倍)。瞬時電子過沖的程度也比GaAs中的大。所以可以得到較高的ft值。

InGaAs的能帶隙比Si和GaAs的窄,可以製造有低開啟電壓( VBE)和低功率耗散的磷化銦HBT。

對於給定的摻雜級,磷化銦有較高的擊穿電場

InGaAs表面的複合速度(10^3cms^-1)比GaAs表面的(10^6cms^-1)小得多。減小了發射極周圍由表面複合速度引起基極電流。

比GaAs高的襯底導熱率(0.7vs0.46Wcm/K)。

這種器件與光源和1.3μm 波長輻射的光電探測器直接兼容,相當於基於Si的光纖中的最低色散波長。所以它對OEIC集成很有用。

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