雙極型器件設(shè)計與性能

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1、半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)Chapter5雙極型器件的設(shè)計與性能參數(shù)一、雙極型器件的設(shè)計一般設(shè)計：減少內(nèi)在電阻與電容特殊設(shè)計：滿足特殊電路要求1。發(fā)射區(qū)的設(shè)計發(fā)射區(qū)參數(shù)影響基區(qū)電流，而對集電極電流無影響。但一般而言，并不采用該方法來改變基區(qū)電流。在數(shù)字電路中，只要電流增益不太低或基區(qū)電流不特別高，器件參數(shù)并不明顯依賴于基區(qū)電流。對邏輯電路而言，只要電流增益足夠大，基區(qū)電流的重復(fù)性要較其大小更重要。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)調(diào)節(jié)基區(qū)電流而改變發(fā)射結(jié)的工藝過程均會影響其它器件參數(shù)。一般固

2、定發(fā)射結(jié)工藝，通過獨立改變基區(qū)和集電區(qū)的設(shè)計來改進器件和電路參數(shù)，不影響基區(qū)電流。發(fā)射結(jié)的設(shè)計目標(biāo)：獲得一低而穩(wěn)定的基區(qū)電流的同時，盡可能的減小發(fā)射結(jié)的電阻。（1）擴散或離子注入加擴散的發(fā)射區(qū)預(yù)摻雜加熱擴散，一般采用As（N）以獲得陡峭的摻雜、淺發(fā)射結(jié)以獲得薄的本征基區(qū)。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)采用金屬硅化物做歐姆接觸，將有助于減小發(fā)射結(jié)寬度，而當(dāng)發(fā)射結(jié)寬度小于少子擴散長度時，基區(qū)電流隨1/WE而增大，導(dǎo)致基區(qū)電流和電流增益隨發(fā)射結(jié)的接觸工藝而變化。擴散的發(fā)射結(jié)不適合于基區(qū)寬度小于100nm的器件工

3、藝（將導(dǎo)致非可控和重復(fù)的基區(qū)電流特性）。（2）多晶硅發(fā)射結(jié)小于100nm基區(qū)的器件一般采用多晶硅柵。25nm的發(fā)射結(jié)深度，可以獲得50nm左右的基區(qū)寬度（發(fā)射結(jié)電容小于擴散結(jié)的1/3）半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)發(fā)射結(jié)的工藝設(shè)計：減小發(fā)射結(jié)串聯(lián)電阻和足夠大的發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓，以及理想的基區(qū)特性。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)2。基區(qū)的設(shè)計發(fā)射區(qū)參數(shù)決定基區(qū)電流，基區(qū)參數(shù)決定集電極電流。雙極電路的性能主要由集電流決定，而不是基區(qū)電流。只要電流增益足夠大，對多晶硅發(fā)射結(jié)而言，器件的設(shè)計與優(yōu)化

4、重點在本征基區(qū)或本征基區(qū)與集電區(qū)。（1）集電極電流密度與基區(qū)薄層電阻率的關(guān)系半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（2）本征基區(qū)的摻雜分布半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（3）準中性基區(qū)的電場半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)小電流下準中性基區(qū)的電場:重摻雜效應(yīng)導(dǎo)致電場傾向于補償由于摻雜分布引起的電場。漂移晶體管原理在現(xiàn)代薄基區(qū)雙極型晶體管的設(shè)計中的作用較在寬基區(qū)晶體管設(shè)計中減小很多。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（4）基區(qū)渡越時間（另一種解釋）半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（5）SiGe基區(qū)基區(qū)集電結(jié)具有最大的Ge組份，而近發(fā)射結(jié)具有最小的鍺組份，

5、以最大化電子的漂移電場。通常的SiGe雙極型晶體管是基區(qū)帶隙漸變的晶體管。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)特點：（1）高發(fā)射效率（高勢壘對注入到發(fā)射區(qū)的少子的阻擋作用）（2）低基區(qū)電阻（由于（1）可對基區(qū)重摻雜，而不影響發(fā)射效率）（3）低的發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（由于低的發(fā)射結(jié)電壓）（4）改進頻率特性（由于（1）與（2））（6）較高的工作溫度。制備：外延生長技術(shù)。結(jié)構(gòu)：緩變基區(qū)：產(chǎn)生內(nèi)建電場。雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：寬發(fā)射與集電極。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)電流放大半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)厄來電壓半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器

6、件原理南京大學(xué)基區(qū)渡越半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)3。集電區(qū)的設(shè)計半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)集電區(qū)的設(shè)計要點:(1)減小串聯(lián)電阻,但集電區(qū)厚度對基區(qū)-集電極擊穿電壓和大電流下的集電極電流特性有較強的作用.(2)盡量減小寄生集電區(qū)的面積及其電容.(3)對一給定的非本征基區(qū)面積,寄生集電區(qū)的摻雜應(yīng)盡可能的小,以獲得最小的電容和最大的非本征基區(qū)-集電極的反向擊穿電壓.基區(qū)展寬效應(yīng)較小時的集電極設(shè)計要控制基區(qū)展寬效應(yīng),集電極電流必須遠小于最大電流密度半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)必須增大集電區(qū)摻雜濃度,以使集電極允許值不致

7、過小.這又將導(dǎo)致基區(qū)-集電結(jié)電容的增大以及基區(qū)-集電結(jié)的擊穿,集電區(qū)的設(shè)計必須進行優(yōu)化和折衷.基區(qū)-集電結(jié)擊穿效應(yīng)的折衷:現(xiàn)代VLSI電路的工作電壓為3-5V,這足以導(dǎo)致雙極型器件的基區(qū)-集電結(jié)的擊穿.(1)減小摻雜濃度,但將減小電流密度(2)近基區(qū)-集電結(jié)的基區(qū)摻雜分布的設(shè)計擴散或離子注入,導(dǎo)致一逐漸減小的摻雜濃度分布,減小近基區(qū)-集電結(jié)的基區(qū)電場.半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(3)近基區(qū)-集電結(jié)的集電區(qū)摻雜分布的設(shè)計采用退化的集電區(qū)摻雜分布,以減小相應(yīng)電場.以上技術(shù)同時將減小基區(qū)-集電結(jié)的耗盡層電容

8、,從而改進器件性能.但將引起基區(qū)擴展效應(yīng)的加劇,這又要求減小基區(qū)-集電結(jié)電流密度以及最高速度.半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)2)基區(qū)展寬效應(yīng)較大時的集電極設(shè)計實際的雙極型器件的電流密度超過0.5mA/um2,導(dǎo)致較大的基區(qū)擴展效應(yīng).基區(qū)擴展效應(yīng)導(dǎo)致多余的少數(shù)載流子存儲在集電區(qū)中,從而貢獻于發(fā)射結(jié)擴散電容.這時,擴散電容將限制電路速度和截止頻率.減小擴散電容,必須使存儲在集電區(qū)中的少數(shù)載流子最少.除采用退化分布之外,必須減小集電區(qū)層厚度(通過外延技術(shù)可以實現(xiàn)),而這將導(dǎo)致基區(qū)-集電結(jié)的耗盡層