雙極型晶體管及相關(guān)器件課件

1、雙極型晶體管及相關(guān)器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices本章內(nèi)容雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管可控硅器件及相關(guān)功率器件雙極型晶體管(bipolar transistor)的結(jié)構(gòu) 雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)通過程的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)所組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n的形式。 如圖為一p-n-p雙極型晶體管的透視圖，其

2、制造過程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)域，再在此n型區(qū)域上以熱擴(kuò)散形成一高濃度的p型區(qū)域，接著以金屬覆蓋p、n以及下方的p型區(qū)域形成歐姆接觸。 雙極型晶體管的工作原理 圖(a)為理想的一維結(jié)構(gòu)p-n-p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個(gè)p-n結(jié)。濃度最高的p區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。 圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電路符號(hào)，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭

3、頭和“十”、“一”符號(hào)分別表示晶體管在一般工作模式(即放大模式)下各電流的方向和電壓的極性，該模式下，射基結(jié)為正向偏壓(VEB0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB0)。雙極型晶體管的工作原理 圖(a)是一熱平衡狀態(tài)下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點(diǎn)接在一起，或者三端點(diǎn)都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個(gè)p-n結(jié)的耗盡區(qū)。圖(b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。圖4.3(c)表示耗盡區(qū)的電場強(qiáng)度分布情況。圖(d)是晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)能帶直接延伸，應(yīng)用到兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)與n-p結(jié)。 雙極型晶體管工作在放

4、大模式雙極型晶體管的工作原理 圖(a)為工作在放大模式下的共基組態(tài)p-n-p型晶體管，即基極被輸入與輸出電路所共用，圖(b)與圖(c)表示偏壓狀態(tài)下電荷密度與電場強(qiáng)度分布的情形，與熱平衡狀態(tài)下比較，射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基結(jié)耗盡區(qū)變寬。圖(d)是晶體管工作在放大模式下的能帶圖，射基結(jié)為正向偏壓，因此空穴由p發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。 雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管的工作原理 在理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會(huì)有產(chǎn)生-復(fù)合電流，所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài)，因此將有一反向飽和電流流過此結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，

5、由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散通過基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。此種輸運(yùn)機(jī)制便是注射載流子的“發(fā)射極“以及收集鄰近結(jié)注射過來的載流子的“集電極”名稱的由來。雙極型晶體管的工作原理 如果大部分入射的空穴都沒有與基區(qū)中的電子復(fù)合而到達(dá)集電極，則集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射極空穴電流。 可見，由鄰近的射基結(jié)注射過來的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)造成大電流，這就是晶體營的放大作用，而且只有當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)才會(huì)發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。相反地，如果此兩p-n結(jié)距離太遠(yuǎn)，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合而無法到達(dá)集基區(qū)，并不會(huì)產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時(shí)p

6、-n-p的結(jié)構(gòu)就只是單純兩個(gè)背對背連接的p-n二極管。 雙極型晶體管的工作原理 下圖中顯示出一理想的p-n-p晶體管在放大模式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生-復(fù)合電流，則由發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分。電流增益 大部分的入射空穴將會(huì)到達(dá)集電極而形成Icp?；鶚O的電流有三個(gè)，即IBB、IEn以及ICn。其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)合的電子電流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。 雙極型晶體管的工作原理晶體管各端點(diǎn)的電流可由上述各個(gè)電流成分來表示 晶體管中有一項(xiàng)重

7、要的參數(shù)，稱為共基電流增益，定義為 因此，得到 雙極型晶體管的工作原理第二項(xiàng)稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，是到達(dá)集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比，即 所以 上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)稱為發(fā)射效率，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流的比，即： 雙極型晶體管的工作原理其中ICn是發(fā)射極斷路時(shí)(即IE=0)集基極間的電流，記為ICBO，前兩個(gè)下標(biāo)（CB）表示集、基極兩端點(diǎn)，第三個(gè)下標(biāo)（O）表示第三端點(diǎn)(發(fā)射極)斷路，所以ICBO代表當(dāng)發(fā)射極斷路時(shí)，集基極之間的漏電流。共基組態(tài)下的集電極電流可表示為 對設(shè)計(jì)良好的晶體管，IEn遠(yuǎn)比IEp小，且ICp與IEp非常接近， T與都趨近于1，因此0也接近于1。集電極電流

8、可用0表示，即 雙極型晶體管的工作原理例1：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。試求出下列各值：(a)發(fā)射效率；(b)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T；(c)共基電流增益0；(d)ICBO。 解 （a）發(fā)射效率為 （b）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為（c）共基電流增益為 （d）共基電流增益為 所以 雙極型晶體管的工作原理 為推導(dǎo)出理想晶體管的電流、電壓表示式，需作下列五點(diǎn)假設(shè)：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；（2）基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒有產(chǎn)生-復(fù)合電流；（5）晶體管中

9、無串聯(lián)電阻。 假設(shè)在正向偏壓的狀況下空穴由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，然后這些空穴再以擴(kuò)散的方式穿過基區(qū)到達(dá)集基結(jié)，一旦確定了少數(shù)載流子的分布(n區(qū)域中的空穴)，就可以由少數(shù)載流子的濃度梯度得出電流。 各區(qū)域中的載流子分布 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 圖(c)顯示結(jié)上的電場強(qiáng)度分布，在中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無電場的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程式表示： 其中Dp和p分別表示少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命。上式的一般解為 一、基區(qū)區(qū)域：其中 為空穴的擴(kuò)散長度，常數(shù)C1和C2可由放大模式下的邊界條件 和決定。雙極型晶體管的靜態(tài)特性 其中pn0是熱平衡狀態(tài)下基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度，可由pn0=ni2/NB決定，NB表示基區(qū)中均勻

10、的施主濃度。第一個(gè)邊界條件式表示在正向偏壓的狀態(tài)下，射基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣(x=0)的少數(shù)載流子濃度是熱平衡狀態(tài)下的值乘上exp(qVEB/kT)。第二個(gè)邊界條件表示在反向偏壓的狀態(tài)下，集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣(x=W)的少數(shù)載流子濃度為零。 將邊界條件代入得雙極型晶體管的靜態(tài)特性當(dāng)x1時(shí)，sinh(x)將會(huì)近似于x。所以當(dāng)W/Lp1時(shí)，可簡化為 即：少數(shù)載流子分布趨近于一直線。此近似是合理的，因?yàn)樵诰w管的設(shè)計(jì)中，基極區(qū)域的寬度遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度。如圖?？梢?，由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè)，可簡化電流-電壓特性的推導(dǎo)過程。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管及相關(guān)器件和 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載

11、流子分布可以用類似上述基區(qū)情況的方法求得。在圖中，發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為 二、發(fā)射極和集電極區(qū)域 ：其中nEO和nCO分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡狀態(tài)下的電子濃度。設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長度LE和LC，將邊界條件代入得到雙極型晶體管的靜態(tài)特性只要知道少數(shù)載流子分布，即可計(jì)算出晶體管中的各項(xiàng)電流成分。在x=0處，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流IEp與少數(shù)載流子濃度分布的梯度成正比，因此當(dāng)W/Lp1時(shí)，空穴電流IEp可以由式放大模式下理想晶體管的電流 ：同理，在tW處由集電極所收集到的空穴電流為 表示為雙極型晶體管的靜態(tài)特性當(dāng)W/Lp1時(shí)，IEp等于ICp。而IEn是由基區(qū)流

12、向發(fā)射區(qū)的電子流形成的，ICn是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流形成的，分別為 其中DE和DC分別為電子在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù)。 各端點(diǎn)的電流可由以上各方程式得出。發(fā)射極電流為IEp與IEn的和，即 其中雙極型晶體管的靜態(tài)特性集電極電流是ICp與ICn的和，即 可見12= 21。理想晶體管的基極電流是發(fā)射極電流IE與集電極電流IC的差，即 所以，晶體管三端點(diǎn)的電流主要是由基極中的少數(shù)載流子分布來決定，一旦獲得了各電流成分，即可由其中得出共基電流增益 雙極型晶體管的靜態(tài)特性例2：一個(gè)理想的p+-n-p晶體管，其發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度分別為1019cm-3、1017cm-3和51015cm-

13、3，而壽命分別為10-8s、10-7s和10-6s，假設(shè)有效橫截面面積A為0.05mm2，且射基結(jié)正向偏壓在0.6V，試求晶體管的共基電流增益。其他晶體管的參數(shù)為DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 解： 在基極區(qū)域中 在發(fā)射極區(qū)域中 雙極型晶體管的靜態(tài)特性因?yàn)閃/Lp=0.051，各電流成分為 共基電流增益0為 雙極型晶體管的靜態(tài)特性在W/Lp0時(shí)，集電極電流與VEC不相關(guān)。當(dāng)假設(shè)中性的基極區(qū)域(W)為定值時(shí)，上述特性始終成立。然而延伸到基極中的空間電荷區(qū)域會(huì)隨著集電極和基極的電壓改變，使得基區(qū)的寬度是集基偏壓的函數(shù)，因此集電極電流將與VEC相關(guān) 雙極型

14、晶體管的靜態(tài)特性 當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時(shí)，基區(qū)的寬度將會(huì)減少，導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加，亦即使得擴(kuò)散電流增加，因此IC也會(huì)增加。下圖顯示出IC隨著VEC的增加而增加，這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點(diǎn)，稱為厄雷電壓。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性CIECV0AVBI例3：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射電流增益0，并以0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。 解： 發(fā)射效率為 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為共基電流增益為 因此可得

15、 所以 雙極型晶體管的靜態(tài)特性前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性(直流特性)，沒有涉及其交流特性，也就是當(dāng)一小信號(hào)重疊在直流值上的情況。小信號(hào)意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。 頻率響應(yīng) 高頻等效電路：圖(a)是以共射組態(tài)晶體管所構(gòu)成的放大器電路，在固定的直流輸入電壓VEB下，將會(huì)有直流基極電流IB和直流集電極電流IC流過晶體管，這些電流代表圖(b)中的工作點(diǎn)，由供應(yīng)電壓VCC以及負(fù)載電阻RL所決定出的負(fù)載線，將以一1/RL的斜率與VCE軸相交于VCC。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性下圖(a)是此放大器的低頻等效電路，在更高頻率的狀況下，必須在等效電路中加上適當(dāng)?shù)碾娙?。與正向偏壓的p

16、-n結(jié)類似，在正向偏壓的射基結(jié)中，會(huì)有一勢壘電容CEB和一擴(kuò)散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢壘電容CCB，如圖 (b)所示。 當(dāng)一小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí)，基極電流iB將會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)，而成為一時(shí)間函數(shù)，如右圖所示?；鶚O電流的變動(dòng)使得輸出電流iC跟著變動(dòng)， 而iC的變動(dòng)是iB變動(dòng)的0倍，因此晶體管放大器將輸入信號(hào)放大了。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性其中稱為跨導(dǎo)(transconductance)稱為輸入電導(dǎo)(input conductance)。而基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將產(chǎn)生一個(gè)有限的輸出電導(dǎo)。另外，基極電阻和集電極電阻也都列入考慮。圖(c)是加入上述各器件后的高頻等效電路。 雙極型

17、晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性截止頻率 ：在右上圖中，跨導(dǎo)gm和輸入電導(dǎo)gEB與晶體管的共基電流增益有關(guān)。在低頻時(shí)，共基電流增益是一固定值，不會(huì)因工作頻率而改變，然而當(dāng)頻率升高至一關(guān)鍵點(diǎn)后，共基電流增益將會(huì)降低。右下圖是一典型的共基電流增益相對于工作頻率的示意圖。加入頻率的參量后，共基電流增益為 其中0是低頻(或直流)共基電流增益，f是共基截止頻率，當(dāng)工作頻率f=f時(shí)，的值為0.707 0(下降3dB)。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf頻率Hz/右圖中也顯示了共射電流增益，由上式可得 其中f稱為共射

18、截止頻率 由于01，所以f遠(yuǎn)小于f。另外，一截止頻率fT(又稱特征頻率)定義為的絕對值變?yōu)?時(shí)的頻率，將前式等號(hào)右邊的值定為1，可得出 因此fT很接近但稍小于 f。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf頻率Hz/其中A是器件的截面積，p(x)是少數(shù)載流于的分布，空穴經(jīng)過基區(qū)所需的時(shí)間B為 特征頻率fT也可以表示為(2T)-1，其中T代表載流子從發(fā)射極傳輸?shù)郊姌O所需的時(shí)間，它包含了發(fā)射區(qū)延遲時(shí)間E、基區(qū)渡超時(shí)間B以及集電區(qū)渡越時(shí)間C。其中最主要的時(shí)間是B。少數(shù)載流子在dt時(shí)段中所走的距離為dtv(x)d

19、t，其中v(x)是基區(qū)中的少數(shù)載流子的有效速度，此速度與電流的關(guān)系為 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性以線性空穴分布為例，將 要改善頻率響應(yīng)，必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間，所以高頻晶體管都設(shè)計(jì)成短基區(qū)寬度。由于在硅材料中電子的擴(kuò)散系數(shù)是空穴的三倍，所有的高頻硅晶體管都是n-p-n的形式(基區(qū)中的少數(shù)載流子是電子)另一個(gè)降低基區(qū)渡越時(shí)間的方法是利用有內(nèi)建電場的緩變摻雜基區(qū)，摻雜濃度變化(基區(qū)靠近發(fā)射極端摻雜濃度高，靠近集電極端摻雜濃度低)產(chǎn)生的內(nèi)建電場將有助于載流子往集電極移動(dòng)，因而縮短基區(qū)渡越時(shí)間。 代入因此fT很接近但稍小于 f。和雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 在數(shù)字電路中晶體管

20、的主要作用是當(dāng)作開關(guān)?？梢岳眯〉幕鶚O電流在極短時(shí)間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)的狀態(tài)成為開(on)的狀態(tài)(反之亦然)。關(guān)是高電壓低電流的狀態(tài)，開是低電壓高電流的狀態(tài)。圖(a)是一個(gè)基本的開關(guān)電路，其中射基電壓瞬間由負(fù)值變?yōu)檎怠D(b)是晶體管的輸出電流，起初因?yàn)樯浠Y(jié)與集基結(jié)都是反向偏壓，集電極電流非常低，但射基電壓由負(fù)變正后，集電極電流沿著負(fù)載線，經(jīng)過放大區(qū)最后到達(dá)高電流狀態(tài)的飽和區(qū)，此時(shí)射基結(jié)與集基結(jié)都變?yōu)檎蚱珘?。因此晶體管在關(guān)的狀態(tài)下，亦即工作于截止模式時(shí)，發(fā)射極與集電極間不導(dǎo)通；而在開的狀態(tài)下，亦即工作在飽和模式時(shí)，發(fā)射極與集電極間導(dǎo)通因此晶體管可近似于一理想的開關(guān)。 雙極型晶

21、體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性開關(guān)時(shí)間是指晶體管狀態(tài)從關(guān)變?yōu)殚_或從開變?yōu)殛P(guān)所需的時(shí)間，圖(a)顯示一輸入電流脈沖在t0時(shí)加在射基端點(diǎn)上，晶體管導(dǎo)通在tt2時(shí)，電流瞬間轉(zhuǎn)換到零，晶體管關(guān)閉。集電極電流的暫態(tài)行為可由儲(chǔ)存在基區(qū)申的超量少數(shù)載流子電荷QB(t)來決定，圖(b)是QB(t)與時(shí)間的關(guān)系圖。在導(dǎo)通的過程中，基區(qū)儲(chǔ)存電荷將由零增加到QB(t2)；在關(guān)閉的過程中，基區(qū)儲(chǔ)存電荷由QB(t2)減少到零。開關(guān)暫態(tài)過程雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 當(dāng)QB(t)Qs時(shí)，晶體管工作于放大模式下，其中Qs是VCB=0時(shí)基區(qū)中的電荷量如圖(d)，在飽和區(qū)的邊緣。 IC對時(shí)間的變化顯示在圖(c)中。在導(dǎo)通的過程

22、中，基區(qū)存儲(chǔ)電荷量達(dá)到Qs，電荷量在t=t1時(shí)達(dá)到飽和區(qū)邊緣。當(dāng)QBQs時(shí)晶體管進(jìn)入飽和模式，而發(fā)射極和集電極電流大致維持定值。圖(d)顯示在tt1時(shí)，空穴分布pn(x)與t=t1時(shí)平行，所以在x=0和x=W處的空穴濃度梯度即電流維持相同。在關(guān)閉的過程中，器件起初是在飽和模式下，集電極的電流大約維持不變，直到QB降至Qs，如圖(d)。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 由t2到QB=Qs時(shí)的t3這段時(shí)間稱為存儲(chǔ)延遲時(shí)間。當(dāng)QB=Qs，器件在t=t3時(shí)進(jìn)入放大模式，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后，集電極電流將以指數(shù)形式衰減到零。 導(dǎo)通的時(shí)間取決于能如何迅速地將空穴(p-n-p晶體管中的少數(shù)載流子)加入基極區(qū)域，

23、而關(guān)閉的時(shí)間則取決于能如何迅速地通過復(fù)合將空穴移除。晶體管開關(guān)時(shí)最重要的一個(gè)參數(shù)是少數(shù)載流子的壽命p，一個(gè)有效降低p、使轉(zhuǎn)換變快的方法是加入接近禁帶中點(diǎn)的產(chǎn)生-復(fù)合中心。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)是不同的半導(dǎo)體材料，它們的禁帶寬度差將對HBT的電流增益造成影響，當(dāng)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T非常接近1時(shí)，共射電流增益可表示為 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)是指晶體管中的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。HBT的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射效率較高，其應(yīng)用基本上與雙極型晶體管相同，但HBT具有較高的速度，可以工作在更高的頻率。因?yàn)槠渚哂羞@些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字應(yīng)用上非常受歡迎。如

24、在微波應(yīng)用方面，HBT常被用來制造固態(tài)微波及毫米波功率放大器、震蕩器和混頻器。 HBT的電流增益 ： 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度可寫為 對n-p-n型晶體管，將 代入 可得 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 因此，由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體材料的不同，它們的禁帶寬度差將對HBT的電流增益造成影響，且 其中NE和EB分別是發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度， NC和NV分別是導(dǎo)帶和價(jià)帶底的有效狀態(tài)密度，EgE是發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的禁帶寬度，NC、NV和EgB則是基區(qū)半導(dǎo)體上相應(yīng)的參數(shù). 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 大部分HBT的技術(shù)都是在AlxGa1-xAs/GaAs材料系統(tǒng)中發(fā)展的，右圖是一個(gè)基本n-p-n

25、型HBT結(jié)構(gòu)。n型發(fā)射區(qū)是以寬禁帶的AlxGa1-xAs組成，而p型基區(qū)是以禁帶寬度較窄的GaAs組成，n型集電區(qū)和n型次集電區(qū)分別以低摻雜濃度和高摻雜濃度的GaAs組成。 為了形成歐姆接觸，在發(fā)射區(qū)接觸和砷化鋁鎵層之間加了一層高摻雜濃度的n型砷化鎵。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差，共射電流增益可以提到很高。而同質(zhì)結(jié)的雙極型晶體管并無禁帶寬度差存在，必須將發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比提到很高，這是同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管最基本的不同處。 基本HBT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 EV增加了射基異質(zhì)結(jié)處價(jià)帶勢壘的高度，此效應(yīng)使得HBT可以使用較高摻雜濃度的基區(qū)，而同時(shí)維持極高的發(fā)射效率和電流增

26、益；高摻雜濃度則可降低基區(qū)的方塊電阻，且基區(qū)可以做得很薄而不需擔(dān)心穿通效應(yīng)。穿通效應(yīng)是指集基結(jié)的耗盡層往基極延伸，最后與射基結(jié)的耗盡層接觸的現(xiàn)象。窄基區(qū)寬度可以降低基區(qū)渡越時(shí)間，且增加截止頻率，這正是人們期望的特性。 右圖是HBT在放大模式下的能帶圖，發(fā)射區(qū)和基區(qū)間的能帶差在異質(zhì)結(jié)界面上造成了一個(gè)能帶偏移，事實(shí)上，HBT優(yōu)異的特性是直接由價(jià)帶在異質(zhì)界面處的不連續(xù)所造成的。異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 另一種異質(zhì)結(jié)是硅/硅鍺(Si/SiGe)的材料系統(tǒng)，此系統(tǒng)有幾項(xiàng)特性在HBT的應(yīng)用中非常具有吸引力。如同砷化鋁鎵/砷化鎵HBT，硅/硅鍺HBT也因禁帶寬度差可重?fù)诫s而具有高速能力。硅界面具有低陷阱密度的特性

27、，可以減少表面復(fù)合電流，確保在低集電極電流時(shí)，仍可維持高的電流增益。另外，可與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝技術(shù)相容也是一個(gè)深具吸引力的特性。 最近幾年磷化銦(InP)系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)的材料被系統(tǒng)地研究，磷化銦系的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。InP/ InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的表面復(fù)合，而且InGaAs的電子遷移率較GaAs高出甚多，使其具有相當(dāng)優(yōu)異的高頻表現(xiàn)，其截止頻率可高達(dá)254GHz此外，InP集電極在強(qiáng)電場時(shí)比GaAs集電極具有更高的漂移速率，其擊穿電壓亦比GaAs集電極高。 先進(jìn)的HBT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 基極區(qū)域也可用緩變分布，以將由發(fā)射阿區(qū)到基區(qū)的禁帶寬度減小，圖

28、中虛線顯示緩變基區(qū)HBT的能帶圖，其中存在一內(nèi)建電場Ebi于準(zhǔn)中性基區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致少數(shù)載流子渡越時(shí)間降低，增加了HBT的共射電流增益與截止頻率。 在前面基本HBT的能帶圖中，導(dǎo)帶上的能帶不連續(xù)EC是我們所不希望的，因?yàn)榇瞬贿B續(xù)迫使異質(zhì)結(jié)中的載流子必須以熱電子發(fā)射或隧穿的方法才能越過勢壘，因而降低發(fā)射效率和集電極電流此缺點(diǎn)可由緩變層和緩變基區(qū)異質(zhì)結(jié)來改善。下圖顯示一緩變層加在射基異質(zhì)結(jié)中的能帶圖，其中EC已被消除，緩變層的厚度為Wg。 先進(jìn)的HBT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 右圖是一可控硅器件的橫截面示意圖，是一個(gè)四層p-n-p-n器件，由三個(gè)串接的p-n結(jié)J1、J2、J3組成。與接觸電極相連的最外一p層稱為陽極，另一邊的n層稱為陰極。這個(gè)沒有額外電極的結(jié)構(gòu)是個(gè)兩瑞點(diǎn)的器件，被稱為p-n-p-n二極管。若另一稱為柵