高勝

摘要：在傳統(tǒng)雙極性晶體管（簡稱BJT）的Gummel曲線中電流增益β都只有一個波峰（簡稱單峰），然而現(xiàn)在實驗室實測數(shù)據(jù)得到BJT的增益特征曲線出現(xiàn)了兩個波峰的現(xiàn)象（簡稱雙峰），針對雙峰現(xiàn)象建立器件模型，并分別從器件的結(jié)構(gòu)和基極發(fā)射極和集電極的摻雜濃度上進行分析，得到基極的摻雜濃度和摻雜位置影響器件產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：BJT 單峰 雙峰 電流 增益

中圖分類號：TN32 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）10-0044-02

1949年，BJT的誕生標志著現(xiàn)代電子器件的出現(xiàn)，在隨后的幾十年中對于BJT的研究取得了重大的突破，主要有NPN型，PNP型，高頻三極管，低頻三極管，超高頻三極管，帶阻三極管等等。現(xiàn)在隨著工藝線的提高BJT的尺寸越來越小并且性能得到了大幅度的提高。三極管的主要用途，現(xiàn)在三極管的用途悅來越廣泛，主要用于放大，整流，功放等[1]。

1 BJT的基本結(jié)構(gòu)和工藝流程

器件設(shè)計時采用TCAD軟件中的MEDICI進行設(shè)計，在設(shè)計中首先對器件的整理布局進行設(shè)計，本論文設(shè)計中采用的是平面結(jié)構(gòu)[2]。器件的水平結(jié)構(gòu)圖如圖1：

BJT的主要的工藝流程：襯底制備，埋層制備，生長外延層，形成隔離區(qū)，集電極制備，基區(qū)的形成，發(fā)射區(qū)的形成，金屬接觸，形成金屬互連線，封裝測試。

2 BJT的設(shè)計

2.1 發(fā)射區(qū)的設(shè)計

BJT的放大倍數(shù)受發(fā)射區(qū)和基區(qū)的濃度值的直接的影響，提高BJT的放大倍數(shù)必須提高發(fā)射區(qū)的摻雜濃度和降低基區(qū)的摻雜濃度來完成。應(yīng)當適當?shù)臏p少發(fā)射區(qū)的厚度，來減少BJT的發(fā)射極的寄生電阻Re。

2.2 基區(qū)的設(shè)計

在基區(qū)的設(shè)計過程中，主要是設(shè)計基區(qū)的位置和摻雜濃度?；鶇^(qū)的摻雜濃度應(yīng)當有一個合適的值，若摻雜濃度過高會降低BJT的增益影響B(tài)JT的性能。但是由于BJT的發(fā)射區(qū)與基區(qū)都是高摻雜的，則發(fā)射結(jié)的耗盡層厚度非常的薄，從而反向偏壓下發(fā)射極和基級之間的隧穿漏電流就不能忽略，并且還會導(dǎo)致正向偏壓下出現(xiàn)非理想的基級特性，在這種情況下可以改變基區(qū)的摻雜分布情況，提高基區(qū)摻雜濃度來解決，但是這樣又會使得增益下降，只有調(diào)節(jié)一個最合適的搭配比例才能使得BJT有一個良好的性能。

2.3 集電區(qū)的設(shè)計

BJT集電區(qū)對器件的所有參數(shù)都有影響，而對集電區(qū)的設(shè)計主要集中在集電區(qū)的摻雜濃度和集電區(qū)的寬度的設(shè)計方面。在大面積BJT中，增加集電極的摻雜濃度會使最高振蕩頻率和特征頻率都減小。較寬的低摻雜集電區(qū)會使載流子渡越空間電荷區(qū)的時間增大，從而導(dǎo)致特征頻率下降。在本文中主要考慮的是BJT的增益，而集電區(qū)對增益的影響較小。

3 BJT增益的研究

3.1 BJT單峰現(xiàn)象的研究

在基級電流很小的情況下BJT的增益的表達式如下[3]：

使用器件仿真軟件MEDICI進行仿真，仿真得到BJT的電流增益隨著基級電壓的變化圖如圖2：

3.2 BJT雙峰現(xiàn)象的研究

在已經(jīng)設(shè)計好的模型中不會出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，這就要求我們對已經(jīng)設(shè)計好的模型進一步的研究，分析產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象的原因。在我們不知道其是由于什么情況產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象的情況的下，我們分別從發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)三個次序來研究。然而集電區(qū)主要影響的是器件的特征頻率和最大頻率這里就不予研究[4]。

3.2.1 對發(fā)射極進行研究

首先對發(fā)射區(qū)進行研究，在式子1中可以知道電流增益受發(fā)射的的摻雜濃度和發(fā)射區(qū)的寬度的影響，仿真時增加或者減少發(fā)射區(qū)的摻雜濃度和寬度并得到仿真圖，仿真圖表明發(fā)射區(qū)的摻雜濃度和寬度只影響B(tài)JT的增益的大小，與產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象無關(guān)。

3.2.2 對基級進行研究

探討基區(qū)引起B(yǎng)JT產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象的研究：對基區(qū)的研究主要分為基區(qū)的位置的設(shè)計和基區(qū)摻雜濃度的設(shè)計[5]。

首先我們對基區(qū)的寬度進行分析，在增大或者減少基區(qū)寬度的情況下對BJT沒有產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象，所以單一的改變基區(qū)的寬度是不會使得BJT發(fā)生雙峰現(xiàn)象。

同理對基區(qū)的摻雜濃度進行設(shè)計，得到和基區(qū)的寬度設(shè)計一樣的結(jié)果沒有產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象。

再考慮基區(qū)的某一個區(qū)域的摻雜濃度發(fā)生突變。對基區(qū)發(fā)生突變的研究中我們經(jīng)過大量的仿真得到，在基區(qū)中間位置某一區(qū)域的摻雜濃度突然增高會使BJT發(fā)生雙峰現(xiàn)象，并得到仿真圖如圖3。

由圖2和圖3可以分析得到，在雙峰的情況下器件的電流增益比單峰情況下的電流增益要小，這是由于器件的基區(qū)在雙峰下?lián)诫s濃度發(fā)生了突變，并且是某一部分的摻雜濃度升高引起的，這個也符合式子1中的表達式。

4 BJT產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象的原因的分析

4.1 設(shè)計失誤

我們可以由上一節(jié)對雙峰現(xiàn)象從器件設(shè)計上的失誤上來分析，在設(shè)計時可以使得某一塊的濃度升高，這樣就造成基區(qū)的濃度不平整，就是的在表達式中電流增益的數(shù)值發(fā)生改變。

4.2 操作失誤

由于擴散儀器的原因，常規(guī)的器件在經(jīng)過器件的設(shè)計后，然后進行工藝仿真，最后就是流片，在流片當中由于擴散爐擴散不均勻會使得器件的某一部分的濃度過高。測試儀器的操作失誤也會引起B(yǎng)JT產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象。我們可以采用更加先進的生產(chǎn)工藝線使得失誤降低到最低。

5 結(jié)語

常規(guī)BJT設(shè)計中只有單峰現(xiàn)象，在基區(qū)的摻雜濃度發(fā)生突變的情況下會使BJT的Gummel曲線中的增益曲線出現(xiàn)雙峰的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因與BJT器件的設(shè)計，工藝流程，測試都相關(guān)。

參考文獻

[1]晶體管60年“芯”路歷程[J].中國電子商情（基礎(chǔ)電子），2008 （Z1）.

[2]章從福.IBM開發(fā)出世界最小的硅晶體管 [J].半導(dǎo)體信息，2003 （01）.

[3]陳星弼，張慶中.晶體管原理與設(shè)計[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社.2006：84-85.

[4]HK Gummel An Integrated Charge Control M odel of Bipolar T ransistors[J]. BellSystT ech J. BellLaboratories， Murray Hil，l NJ， 1970， 49： 827-850.

[5]StarH spice Manual[S]. Avant，Release， July，1998.