第十三讲——异质结双极型晶体管
l HMET 和HIGFET 的伏安模型 （12讲的继续）
直流模型 ——非速度饱和 ——速度饱和 小信号线性等效电路 高频极限——ωＴ，ωｍａｘ
l 双极结晶体管（BJT ）
单质结BJT 的复习：伏安特性
小信号线性等效电路 高频特性
l 异质结双极型晶体管（HBT ）
历史回顾：Shockley 和 Kroemer, 动机 异质结影响的系统回顾：
——发射极 ——基极 ——集电极
总结-将其放在一个器件中 双极结晶体管复习
要理解和对BJT 建模，我们首先要确定：
然后我们还会将表达式重新写成一个对很多应用更方便的形式：
BJT 特性的埃伯斯-莫尔（Ebers-Moll ）模型 将问题分解为两个独立的部分，正向和逆向：
对于正向部分，有：
为将上式化为较方便的形式，我们定义发射极和基极缺陷：
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 再定义发射极饱和电流，I ES ，和正向α，αＦ：
由这些定义，我们有：
解基极电流得：
最后，我们注意到通过定义正向β，βＦ，可以很方便的联系ｉＢＦ和i ＣＦ：
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 同样，对逆向部分，我们得到：
其中，我们做了类似的定义：
综合正向和逆向部分，我们得到完全特性公式：
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 我们主要在BJT 的正向作用区使用他们，即在V BE >>kT/q和V CE
我们关心的是i B 和i C ，有：
其中我们使用了前面定义的正向β，βＦ。
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 我们对于BJT 设计的目标是得到较大的正向β，βＦ。为了理解我们如何做到这一点，我们用缺陷，然后用器件参数来表示β：
上式中我们假设，δＢ＜＜δＥ，此假设在基极宽度很小的情况下一般成立：
从βＦ的结果中我们马上可以得到ＢＪＴ
设计的原则：
Ebers-Moll 正向，V BE >0,VBC =0
设计良好的结构：N DE >>NAB ,w E
BJT 特性（npn 型）
BJT 模型
正向工作区： V BE >0.6V V CE >0.2V (即V BC
————————〉 其他区
截止区： V BE
V CE
用异质结改进BJT ：综述 历史回顾： 最早的在BJT 中使用异质结的想法是通过减小发射极缺陷来增加β。这种可能最早由Shockley 在他最初的晶体管专利（1950年）中提出，并且由Herb Kroemer在他1958年的论文中详细阐述。他在1980年的另一篇论文中再次阐述了这个想法，此时研究这个想法的技术已经实现，此时也是异质结双极型晶体管，HBT ，出现的时候。 要研究BJT 中的异质结的全部潜能，我们要更宽地研究这个问题。 双极性晶体管主要有三部分，我们要分别研究这三部分：
——发射极 ——基极 ——集电极
发射极问题： 在单质结晶体管中，基极的支线电导受掺杂级和基极宽度的限制。可以通过提高基极的掺杂级来提高它，但这会对发射极缺陷有负面的影响。 通过一个宽能带隙发射器层，另一个耦合系数被引入发射极缺陷，这减少了对基极进行重掺杂的需要。
在单质结中：
在异质结中：
新项：HB=空穴势垒 EB=电子势垒 注意：我们在第四讲关于异质结的
讨论中已经涉及到了这个问题。
发射极问题：空穴势垒vs 电子势垒 势垒的大小取决于在其中一个能带中是否存在一个尖突起（通常在导带中）
注意：在N-p+结中，所有的带弯曲都在N 边。
如果尖突起是一个势垒：HB-EB ≈ΔE V
发射极问题：空穴势垒vs 电子势垒 如果尖突起薄到成为一个隧道，或者通过对质结中的成份进行梯度处理而得到消除，那么HB-EB 可以显著增大：
如果尖突起不是一个势垒：HB-EB ≈ΔE C +ΔE V =ΔE g 注意：梯度处理不需要重掺杂就可以去除尖突起
发射极问题：基极的掺杂剂扩散 异质结晶体管中的基极通常是重掺杂的，而发射极的掺杂程度较轻。这种情况下，掺杂剂很容易扩散进入发射极并对其p 残杂。这是很有害的：
又成了单质结了！
一种解决方法是引入一个薄的，未掺杂的宽能带隙隔离层。
发射极问题：利用势垒以有利于冲击注入 冲击注入的概念是，跨越尖突起的载流子会以很高的初速度进入基极：
这会减小基极的通过时间。 问题时如果载流子有过大的初能量，他们会分散进入更高的能带并减速。
基极问题：减小基极电阻 减小基极通过时间 基极电阻： 掺杂程度很重 基极通过时间 使基极很薄 梯度处理基极，建
立一个作用于电子 的电场
注意：如果基极太薄，要
对其成分进行梯度 处理会很困难。
冲击注入的一个问题是，如果载流子从电场获得过大的初能量，他们会分散进入更高的能带并减速。
集电极问题： 基极宽度调制：由于重基极掺杂，不需要考虑 雪崩击穿：InGaAs 基极和集电极的问题 解决方法：宽能带隙集电极 导通/饱和截止：在单质结集电极很重要 解决方法：宽能带隙集电极
发射极问题（续）：宽能带隙集电极的注意点 如果接触面上有一个导带尖突起，宽能带隙集电极会出现问题。集电极在低逆向偏置下不工作！！
解决方法是梯度处理基极-集电极接触面
HBT 工艺：一个典型截面 我们将在14讲中详细研究工艺和电路。
第十三讲——异质结双极型晶体管
l HMET 和HIGFET 的伏安模型 （12讲的继续）
直流模型 ——非速度饱和 ——速度饱和 小信号线性等效电路 高频极限——ωＴ，ωｍａｘ
l 双极结晶体管（BJT ）
单质结BJT 的复习：伏安特性
小信号线性等效电路 高频特性
l 异质结双极型晶体管（HBT ）
历史回顾：Shockley 和 Kroemer, 动机 异质结影响的系统回顾：
——发射极 ——基极 ——集电极
总结-将其放在一个器件中 双极结晶体管复习
要理解和对BJT 建模，我们首先要确定：
然后我们还会将表达式重新写成一个对很多应用更方便的形式：
BJT 特性的埃伯斯-莫尔（Ebers-Moll ）模型 将问题分解为两个独立的部分，正向和逆向：
对于正向部分，有：
为将上式化为较方便的形式，我们定义发射极和基极缺陷：
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 再定义发射极饱和电流，I ES ，和正向α，αＦ：
由这些定义，我们有：
解基极电流得：
最后，我们注意到通过定义正向β，βＦ，可以很方便的联系ｉＢＦ和i ＣＦ：
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 同样，对逆向部分，我们得到：
其中，我们做了类似的定义：
综合正向和逆向部分，我们得到完全特性公式：
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 我们主要在BJT 的正向作用区使用他们，即在V BE >>kT/q和V CE
我们关心的是i B 和i C ，有：
其中我们使用了前面定义的正向β，βＦ。
BJT 特性的Ebers-Moll 模型（续） 我们对于BJT 设计的目标是得到较大的正向β，βＦ。为了理解我们如何做到这一点，我们用缺陷，然后用器件参数来表示β：
上式中我们假设，δＢ＜＜δＥ，此假设在基极宽度很小的情况下一般成立：
从βＦ的结果中我们马上可以得到ＢＪＴ
设计的原则：
Ebers-Moll 正向，V BE >0,VBC =0
设计良好的结构：N DE >>NAB ,w E
BJT 特性（npn 型）
BJT 模型
正向工作区： V BE >0.6V V CE >0.2V (即V BC
————————〉 其他区
截止区： V BE
V CE
用异质结改进BJT ：综述 历史回顾： 最早的在BJT 中使用异质结的想法是通过减小发射极缺陷来增加β。这种可能最早由Shockley 在他最初的晶体管专利（1950年）中提出，并且由Herb Kroemer在他1958年的论文中详细阐述。他在1980年的另一篇论文中再次阐述了这个想法，此时研究这个想法的技术已经实现，此时也是异质结双极型晶体管，HBT ，出现的时候。 要研究BJT 中的异质结的全部潜能，我们要更宽地研究这个问题。 双极性晶体管主要有三部分，我们要分别研究这三部分：
——发射极 ——基极 ——集电极
发射极问题： 在单质结晶体管中，基极的支线电导受掺杂级和基极宽度的限制。可以通过提高基极的掺杂级来提高它，但这会对发射极缺陷有负面的影响。 通过一个宽能带隙发射器层，另一个耦合系数被引入发射极缺陷，这减少了对基极进行重掺杂的需要。
在单质结中：
在异质结中：
新项：HB=空穴势垒 EB=电子势垒 注意：我们在第四讲关于异质结的
讨论中已经涉及到了这个问题。
发射极问题：空穴势垒vs 电子势垒 势垒的大小取决于在其中一个能带中是否存在一个尖突起（通常在导带中）
注意：在N-p+结中，所有的带弯曲都在N 边。
如果尖突起是一个势垒：HB-EB ≈ΔE V
发射极问题：空穴势垒vs 电子势垒 如果尖突起薄到成为一个隧道，或者通过对质结中的成份进行梯度处理而得到消除，那么HB-EB 可以显著增大：
如果尖突起不是一个势垒：HB-EB ≈ΔE C +ΔE V =ΔE g 注意：梯度处理不需要重掺杂就可以去除尖突起
发射极问题：基极的掺杂剂扩散 异质结晶体管中的基极通常是重掺杂的，而发射极的掺杂程度较轻。这种情况下，掺杂剂很容易扩散进入发射极并对其p 残杂。这是很有害的：
又成了单质结了！
一种解决方法是引入一个薄的，未掺杂的宽能带隙隔离层。
发射极问题：利用势垒以有利于冲击注入 冲击注入的概念是，跨越尖突起的载流子会以很高的初速度进入基极：
这会减小基极的通过时间。 问题时如果载流子有过大的初能量，他们会分散进入更高的能带并减速。
基极问题：减小基极电阻 减小基极通过时间 基极电阻： 掺杂程度很重 基极通过时间 使基极很薄 梯度处理基极，建
立一个作用于电子 的电场
注意：如果基极太薄，要
对其成分进行梯度 处理会很困难。
冲击注入的一个问题是，如果载流子从电场获得过大的初能量，他们会分散进入更高的能带并减速。
集电极问题： 基极宽度调制：由于重基极掺杂，不需要考虑 雪崩击穿：InGaAs 基极和集电极的问题 解决方法：宽能带隙集电极 导通/饱和截止：在单质结集电极很重要 解决方法：宽能带隙集电极
发射极问题（续）：宽能带隙集电极的注意点 如果接触面上有一个导带尖突起，宽能带隙集电极会出现问题。集电极在低逆向偏置下不工作！！
解决方法是梯度处理基极-集电极接触面
HBT 工艺：一个典型截面 我们将在14讲中详细研究工艺和电路。