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        SiGe HBT直流電流增益模型研究

        2010-12-21 06:30:06
        電子器件 2010年4期
        關(guān)鍵詞:基區(qū)空間電荷集電極

        王 穎

        (陜西教育學(xué)院基建處, 西安710061)

        直流電流增益是表征雙極晶體管直流性能的重要參數(shù)。對(duì)于SiGe HBT(異質(zhì)結(jié)雙極晶體管),發(fā)射結(jié)為Si/SiGe異質(zhì)結(jié),其禁帶寬度差可以有效地提高發(fā)射結(jié)的載流子注入效率,使得SiGe HBT直流電流增益可以做的很高。

        雖然, SiGe HBT的直流電流增益在理論上可以做得很大,但實(shí)際上并非如此,據(jù)報(bào)道這主要是由于器件物理、結(jié)構(gòu)參數(shù)和各種復(fù)合電流引起的[1-5]。因此,建立SiGe HBT直流電流增益模型,定量的分析器件物理、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及復(fù)合電流與增益的關(guān)系,對(duì)SiGe HBT的設(shè)計(jì)與制造具有重要的指導(dǎo)意義[6-9]。

        1 直流電流增益模型

        直流電流增益的大小直接表示了雙極晶體管的直流放大能力,即

        式中, IC為集電極電流, IB為基極電流

        式中, Ip為空穴反注入電流, IR為復(fù)合電流,主要包含中性基區(qū)復(fù)合電流IBR,空間電荷區(qū)俄歇復(fù)合電流IAUG,空間電荷區(qū)SRH復(fù)合ISRH。

        1.1 集電極電流密度模型

        1.1.1 小電流下集電極電流密度模型

        相對(duì)集電極電流密度JC, SiGe HBT基極電流很小,因而近似認(rèn)為基區(qū)中電流恒定。電流密度采用漂移擴(kuò)散方程為[10]

        式中, μn,SiGe(x)為SiGe基區(qū)電子遷移率[9], Dn,SiGe(x)為SiGe基區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù), E(x)為基區(qū)自建電場(chǎng)[10],

        而nb(x)為基區(qū)少子密度[10]

        式中, vs(x)為電子的傳輸速度, Dn為基區(qū)少子的擴(kuò)散系數(shù), wB為基區(qū)寬度。

        由式(3)、式(4)可以得到,

        對(duì)式(6)從0→wB積分可得,

        式中, VBE是BE結(jié)正偏電壓, vs是電子飽和速度。

        1.1.2 大電流下集電極電流密度模型

        在大電流下,基區(qū)中任意一點(diǎn)少子濃度nb(x)值都可以和該點(diǎn)的雜質(zhì)濃度NB(x)值比擬。因此,此時(shí)計(jì)算集電極電流密度,就應(yīng)當(dāng)充分考慮少子濃度的影響。本文中近似認(rèn)為在10nb(0)>NB(0)時(shí),就應(yīng)當(dāng)考慮少子濃度的影響。

        在大電流下,基區(qū)自建電場(chǎng)強(qiáng)度為[6]

        此時(shí),式中基區(qū)中少子濃度

        其中, vs(x)為基區(qū)中少子傳輸速度,將式(8)代入式(7)得

        而基區(qū)中電子電流密度[10]為

        即,

        基區(qū)電子電流為常數(shù),則JC=Jnb。將(10)式代入(11)式,得

        以集電結(jié)界面為坐標(biāo)原點(diǎn),由式(11)得

        即,

        式中,

        1.2 空穴反注入電流密度

        在發(fā)射區(qū)中設(shè)雜質(zhì)NE為均勻分布,其空穴電流的漂移擴(kuò)散方程為

        式中, Dp,Si為發(fā)射區(qū)中空穴擴(kuò)散系數(shù), pe(x)為發(fā)射區(qū)中少子載流子濃度分布,對(duì)式(15)在空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)積分,則

        式中, ΔEg為發(fā)射結(jié)兩側(cè)禁帶差, Lp,E為發(fā)射區(qū)中空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度, VBE為發(fā)射結(jié)偏壓, pe0為擴(kuò)散長(zhǎng)度以外區(qū)域的空穴濃度,即ni為Si的本征載流子濃度。

        1.3 復(fù)合電流

        1.3.1 中性基區(qū)復(fù)合電流

        由于基區(qū)中有足夠多的空穴,因而基區(qū)中復(fù)合是由電子濃度決定的。基區(qū)中的少子分布近似呈指數(shù)分布,所以基區(qū)中的少子壽命用指數(shù)形式近似[11]

        式中,

        其中, tne和tnc分別為基區(qū)中發(fā)射結(jié)側(cè)和集電結(jié)側(cè)的少子壽命。少子壽命也會(huì)因工藝的優(yōu)劣可以在0.1 ~100 ns范圍內(nèi)變化,有的甚至小到10-13s[12]。

        (1)小電流下的中性基區(qū)復(fù)合電流

        在dx內(nèi)的中性基區(qū)復(fù)合電流為

        對(duì)(19)式從0→wB積分可得:

        AE為發(fā)射結(jié)面積, ΔEg(x)為基區(qū)中任意位置與發(fā)射區(qū)的禁帶差[10]。

        (2)基區(qū)擴(kuò)展情況下的中性基區(qū)復(fù)合電流

        隨著電流增大,基區(qū)要發(fā)生擴(kuò)展,因而基區(qū)寬度要變寬,中性基區(qū)復(fù)合電流要增大。這也是大電流下增益下降的原因之一。此時(shí)中性基區(qū)復(fù)合電流可以分成兩部分:1)本征基區(qū)的復(fù)合電流, 2)電流感應(yīng)基區(qū)的復(fù)合電流。前一部分已求出,此處僅須求出后一部分。在電流感應(yīng)基區(qū)中,摻雜較低,且一般為均勻分布,同時(shí)為了處理的方便,認(rèn)為此區(qū)中的少子壽命為常數(shù)。

        設(shè)在感應(yīng)基區(qū)邊界處, 少子的濃度為ns,在這個(gè)區(qū)以線性分布近似可以得到這部分復(fù)合電流為:

        式中, AC為集電結(jié)面積, wCIB為基區(qū)擴(kuò)展寬度, tc為感應(yīng)基區(qū)的少子壽命,這個(gè)區(qū)為Si材料,因而可以采用Si中的少子壽命模型,邊界處少子的濃度

        因而此時(shí)總的基區(qū)復(fù)合電流為

        1.3.2 空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流

        空間電荷區(qū)的復(fù)合電流是小電流下增益下降的主要原因。該電流分為兩部分:通過(guò)復(fù)合中心的SRH(Shockley-Read-Hall)復(fù)合電流和帶間俄歇復(fù)合電流。

        (1)SRH復(fù)合

        由復(fù)合理論,在穩(wěn)態(tài)下情況下,載流子的凈復(fù)合率為[13]

        式中,

        式中, Ei為本征能級(jí), Et為復(fù)合中心能級(jí), tn0、tp0分別為空間電荷區(qū)內(nèi)電子,空穴的壽命, Efn、Efp分別為電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),則

        式中,

        當(dāng)復(fù)合中心能級(jí)滿足:Et=Ei時(shí), b可以忽略。在SiGe HBT的發(fā)射結(jié)中,可認(rèn)為ΔEi=0, Efn、Efp在空間電荷區(qū)內(nèi)沒(méi)有彎曲, ni在發(fā)射結(jié)中雖然不是常數(shù),但若按突變結(jié)處理,則在Si區(qū)和SiGe區(qū)中分別為常數(shù)。因而(27)式中只有一個(gè)Ei(x)為位置的函數(shù)。若選x=xpe處的本征能級(jí)的電勢(shì)為零,則可以得到

        式中φ(x)為靜電勢(shì)。應(yīng)用耗盡層近似可得到

        式中,

        空間電荷區(qū)中由于SRH復(fù)合引起的電流為

        由于(30)式形式較為復(fù)雜,積分難以獲得解析解,為了獲得解析解可以用線性函數(shù)對(duì)(30)式近似替代

        式中,

        (2)俄歇復(fù)合

        當(dāng)摻雜濃度增加時(shí),俄歇復(fù)合變得越來(lái)越重要了。俄歇復(fù)合是一個(gè)三粒子過(guò)程,其有兩個(gè)過(guò)程:1)一個(gè)導(dǎo)帶電子復(fù)合一個(gè)空穴,將能量傳遞給一個(gè)空穴;2)一個(gè)價(jià)帶空穴復(fù)合一個(gè)導(dǎo)帶電子,將能量傳遞給一個(gè)電子。第一種情況復(fù)合率正比于p2n,第二種情況則正比于pn2。因此俄歇復(fù)合率可以表示為[13]

        式中, p和n分別為空間電荷區(qū)中空穴和電子的濃度, An/Ap分別為電子和空穴的復(fù)合系數(shù)。上式也可以表示為

        式中,

        根據(jù)(36)式可以得到俄歇復(fù)合電流為

        和SRH復(fù)合處理方法一樣,利用φ(x)近似的方法,可以得到俄歇復(fù)合電流的解析表達(dá)式。

        2 模擬結(jié)果與討論

        發(fā)射區(qū)摻雜為 4 ×1017cm-3, 發(fā)射結(jié)面積為30 μm2,集電結(jié)面積為50 μm2,基區(qū)寬度為50 nm,摻雜為 1×1019cm-3, Ge組分分別為 0.13、0.14、0.15時(shí), SiGe HBT直流電流增益隨集電極電流的變化關(guān)系,如圖1所示。

        從圖1可以看出,基區(qū)中的Ge組分含量對(duì)電流增益有強(qiáng)烈的影響,隨著基區(qū)Ge組分的增加,電流增益顯著增大,這是因?yàn)殡S著基區(qū)Ge組分的增加,異質(zhì)發(fā)射結(jié)的禁帶差增加,空穴從基區(qū)進(jìn)入發(fā)射區(qū)的勢(shì)壘高度也隨之增加,因此空穴反向注入電流減小,電流增益增大。

        圖1 不同的Ge組分下電流增益與集電極電流密度的關(guān)系

        在曲線開(kāi)始部分,隨電流的增加,其增益增加,這是因?yàn)樵谛‰娏飨?,組成基極電流的三種電流中,發(fā)射極空間電荷區(qū)的復(fù)合電流占的比重最大,所以此時(shí)電流增益要小,隨電流的增大,此項(xiàng)復(fù)合電流的增加速率較慢,所以在較大的電流下比重下降,增益增加。當(dāng)出現(xiàn)基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)后,其電流增益要迅速減小,因?yàn)殡娏鞲袘?yīng)基區(qū)也存在復(fù)合電流,基極電流增加。

        其它條件不變,基區(qū)Ge組分為0.15,基區(qū)摻雜濃度分別為1 ×1019cm-3、3×1019cm-3、5 ×1019cm-3時(shí), SiGe HBT直流電流增益隨集電極電流的變化關(guān)系,如圖2所示。

        圖2 不同的基區(qū)摻雜濃度下電流增益與集電極電流密度的關(guān)系

        從圖2中可以看到,隨著基區(qū)摻雜濃度的增加,電流增益下降,這是因?yàn)殡S著基區(qū)摻雜濃度的增加空間電荷區(qū)也隨之增大,空間電荷區(qū)的復(fù)合電流也隨之增大,因此,電流增益下降。

        其它條件不變,基區(qū)Ge組分為0.15,基區(qū)摻雜濃度為 1 ×1019cm-3, 基區(qū)寬度分別為 40 nm、50 nm、60 nm時(shí), SiGe HBT直流電流增益隨集電極電流的變化關(guān)系,如圖3所示。

        圖3 不同的基區(qū)寬度下電流增益與集電極電流密度的關(guān)系

        從圖3中可以看到,隨著基區(qū)寬度的增加,電流增益下降,這是因?yàn)殡S著基區(qū)寬度的增加,中性基區(qū)復(fù)合電流也隨之增大,因此,電流增益下降。

        3 結(jié)論

        本文基于SiGe HBT器件結(jié)構(gòu)、電學(xué)特點(diǎn),分別建立了SiGeHBT集電極電流密度,空穴反注入電流密度、中性基區(qū)復(fù)合電流、SRH電流密度和帶間俄歇復(fù)合電流密度模型,并在此基礎(chǔ)上建立了直流電流增益模型,并進(jìn)行了模擬仿真,分析了器件物理、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及復(fù)合電流與增益的關(guān)系,得到了SiGe HBT直流電流增益特性優(yōu)化的理論依據(jù)。

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