异质结双极晶体管

  异质结双极晶体管(Heterojunction bipolar transistor,HBT)是在双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)的基础上,只是把发射区改用宽带隙的半导体材料,即同质的发射结采用了异质结来代替。W.B.肖克莱于1951年提出这种晶体管的概念。它是由发射区、基区和收集区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管。它最初称为“宽发射区”晶体管,直到70年代中期,这种晶体管才得到较快的发展。

发展

  1951年,Shockley针对普通双极晶体管较难做到超高频、超高速的问题,提出了宽带隙发射区的概念。1957年,Kroemer根据扩散模型分析了宽带隙发射区对提高电流放大系数的作用。上世纪70年代中期,随着MBE和MOCVD技术的发展,制作出了性能良好的AlGaAs/GaAs异质结双极型晶体管。目前,HBT在低相位噪声振荡器、高效率功率放大器、宽带放大器中都有广泛的应用。

分类

  异质结双极晶体管类型很多,主要有以下几种:

  1、SiGe异质结双极晶体管

  2、GaAlAs/GaAs异质结晶体管

  3、NPN型InGaAsP/InP异质结双极晶体管

  4、NPN AlGaN/GaN异质结双极晶体管等。

特点

  1、基区可以高掺杂 (可高达1020/cm3),则基区不易穿通,从而基区厚度可以很小 (则不限制器件尺寸的缩小);

  2、因为基区高掺杂,则基区电阻很小,振荡频率fmax得以提高;

  3、基区电导调制不明显,则大电流密度时的增益下降不大;

  4、基区电荷对C结电压不敏感,则Early电压得以提高;

  5、发射区可以低掺杂 ( 如1017/cm3),则发射结势垒电容降低,晶体管的特征频率fT提高;

  6、可以做成基区组分缓变的器件,则基区中有内建电场,从而载流子渡越基区的时间τB得以减短。

结构性能

  异质结双极性二极管(HBT)的能带间隙在一定范围内可以任意设计,从这器件各区带隙宽度变化角度出发,可以考虑如下几种情况:
  (1)宽带隙发射区结构 (2)缓变基区结构 (3)宽带隙集电区结构 (4)缓变集电区结构
  从器件高速性能设计角度考虑,HBT有代表性的四种结构为:
  (1)突变发射结结构(2)缓变发射结结构(3)缓变发射结、缓变基区结构(4)突变发射结、缓变基区结构

结构分析

  异质结双极晶体管的主要特点是发射区材料的禁带宽度EgB大于基区材料的禁带宽度EgE(图1)。图中 N代表能带宽的区域。从发射区向基区注入的电子流 Ip和反向注入的空穴流Ip所克服的位垒高度是不同的,二者之差为墹Eg=EgE-EgB,因而空穴的注入受到极大抑制。发射极效率主要由禁带宽度差墹Eg决定,几乎不受掺杂比的限制。这就大大地增加了晶体管设计的灵活性。

异质结双极晶体管

  图2为典型的NPN台面型GaAlAs/GaAs异质结晶体管的结构和杂质剖面图。这种“反常”的杂质剖面能大幅度地减小发射结电容(低发射区浓度)和基区电阻(高基区浓度)。最上方的N+-GaAs顶层用来减小接触电阻。这种晶体管的主要电参数水平已达到:电流增益hfe1000,击穿电压BV120伏,特征频率fT15吉赫。它的另一些优点是开关速度快、工作温度范围宽(-269~+350)。

异质结双极晶体管

  除了NPN型GaAs宽发射区管外,还有双异质结NPN型GaAs管、以金属做收集区的NPM型GaAs和PNP型GaAs管等。另一类重要的异质结晶体管是 NPN型InGaAsP/InP管。InGaAsP具有比GaAs更高的电子迁移率,并且在光纤通信中有重要应用。异质结晶体管适于作微波晶体管、高速开关管和光电晶体管。已试制出相应的高速数字电路(I2L)和单片光电集成电路。

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