異質(zhì)結(jié)雙極晶體管,異質(zhì)結(jié)雙極晶體管是什么意思

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管,異質(zhì)結(jié)雙極晶體管是什么意思

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（Hetero-junction Bipolar Transistor,簡稱HBT)基區(qū)(base)異質(zhì)結(jié)SiGe外延(圖1)：其原理是在基區(qū)摻入Ge組分，通過減小能帶寬度,從而使基區(qū)少子從發(fā)射區(qū)到基區(qū)跨越的勢壘高度降低，從而提高發(fā)射效率γ, 因而，很大程度上提高了電流放大系數(shù)β。在滿足一定的放大系數(shù)的前提下，基區(qū)可以重?fù)诫s，并且可以做得較薄，這樣就減少了載流子的基區(qū)渡越時間，從而提高器件的截止頻率fT (Cut-Off Frequency)，這正是異質(zhì)結(jié)在超高速，超高頻器件中的優(yōu)勢所在。

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT(HeterojunctionBipolorTransistar)是指發(fā)射區(qū)、基區(qū)和收集區(qū)由禁帶寬度不同的材料制成的晶體管.異質(zhì)結(jié)雙極晶體管與傳統(tǒng)的雙極晶體管不同，前者的發(fā)射極材料不同于襯底材料，后者的整個材料是一樣的，因而稱為異質(zhì)結(jié)器件。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極效率主要由禁帶寬度差決定，幾乎不受摻雜比的限制。這就大大地增加了晶體管設(shè)計的靈活性。

1998年10月IBM首次量產(chǎn)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（SiGe HBT）。由于SiGe HBT具有GaAs的性能，而與硅工藝的兼容性又使其具有硅的低價格，因此SiGe技術(shù)獲得了長足的進(jìn)展, SiGe HBT技術(shù)已成為RF集成電路市場的主流技術(shù)之一，并對現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。HBT基的射頻集成電路（RFIC）已在蜂窩移動電話末級功率放大器、基站驅(qū)動級、有線電視的光纖線路驅(qū)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(zhì)結(jié)雙極晶體管類型很多,主要有SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管, GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)晶體管,和NPN型InGaAsP／InP異質(zhì)結(jié)雙極晶體管, NPN AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管等.

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管是縱向結(jié)構(gòu)的三端器件，發(fā)射區(qū)采用輕摻雜的寬帶隙半導(dǎo)體材料（如GaAs、InP），基區(qū)采用重?fù)诫s的窄帶隙材料（如AlGaAs、InGaAs）。ΔEg的存在允許基區(qū)比發(fā)射區(qū)有更高的摻雜濃度，因而可以降低基極電阻，減小發(fā)射極－基極電容，從而能得到高頻、高速、低噪聲的性能特點。由于ΔEg>0、并且有一定的范圍，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(qū)，除了能得到更高的電子遷移率外，還有較低的發(fā)射極－基極開啟電壓和較好的噪聲特性。它的閾值電壓嚴(yán)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、偏差小且易于大規(guī)模集成。這也是HBT重要的特點。HBT的能帶間隙在一定范圍內(nèi)可以任意地進(jìn)行設(shè)計。

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的結(jié)構(gòu)特點是具有寬帶隙的發(fā)射區(qū)，大大提高了發(fā)射結(jié)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于PHEMT，但它特別適合在低相位噪聲振蕩器、高效率功率放大器、寬帶放大器中應(yīng)用。

下表是RF IC的幾種工藝的性能比較:

最近幾年，除GaAs基的HBT已達(dá)到了相當(dāng)好的速度，如fT=170GHZ以外，InP基的HBT發(fā)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;主要原因是硅的VLSI發(fā)展已很成熟，SiGeHBT可以借用VLSI的工藝較快用到微電子領(lǐng)域。近幾年已有報導(dǎo)采用商用的超高真空CVD(UHVCD)設(shè)備在8″CMOS線上制作的SiGe外延材料制作的HBT，形成12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其工作速度達(dá)1GHZ，比硅器件要快很多，而功耗延遲乘積也優(yōu)于已實用的三五族化合物材料的異質(zhì)結(jié)器件。

典型的InGaAs/InP 單和雙異質(zhì)結(jié)二級型晶體管（SHBT和DHBT）如下圖:

SHBT和DHBT由多種材料的化合物制成，起始于磷化銦襯底。

InGaAs/InP是一種很重要的HBT材料.InGaAs/InP相比于其他材料的優(yōu)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，可以制造有低開啟電壓（ VBE）和低功率耗散的磷化銦HBT。

對于給定的摻雜級，磷化銦有較高的擊穿電場。

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

比GaAs高的襯底導(dǎo)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(dāng)于基于Si的光纖中的最低色散波長。所以它對OEIC集成很有用。