雙極性晶體管電流增益的研究

高勝

摘要：在傳統(tǒng)雙極性晶體管（簡(jiǎn)稱(chēng)BJT）的Gummel曲線中電流增益β都只有一個(gè)波峰（簡(jiǎn)稱(chēng)單峰），然而現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到BJT的增益特征曲線出現(xiàn)了兩個(gè)波峰的現(xiàn)象（簡(jiǎn)稱(chēng)雙峰），針對(duì)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(jìn)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(lèi)號(hào)：TN32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）10-0044-02

1949年，BJT的誕生標(biāo)志著現(xiàn)代電子器件的出現(xiàn)，在隨后的幾十年中對(duì)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?，F(xiàn)在隨著工藝線的提高BJT的尺寸越來(lái)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(lái)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(jì)時(shí)采用TCAD軟件中的MEDICI進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中首先對(duì)器件的整理布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，本論文設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(cè)試。

2 BJT的設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射區(qū)的設(shè)計(jì)

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(lái)完成。應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)臏p少發(fā)射區(qū)的厚度，來(lái)減少BJT的發(fā)射極的寄生電阻Re。

2.2 基區(qū)的設(shè)計(jì)

在基區(qū)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是設(shè)計(jì)基區(qū)的位置和摻雜濃度?；鶇^(qū)的摻雜濃度應(yīng)當(dāng)有一個(gè)合適的值，若摻雜濃度過(guò)高會(huì)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(jí)之間的隧穿漏電流就不能忽略，并且還會(huì)導(dǎo)致正向偏壓下出現(xiàn)非理想的基級(jí)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(lái)解決，但是這樣又會(huì)使得增益下降，只有調(diào)節(jié)一個(gè)最合適的搭配比例才能使得BJT有一個(gè)良好的性能。

2.3 集電區(qū)的設(shè)計(jì)

BJT集電區(qū)對(duì)器件的所有參數(shù)都有影響，而對(duì)集電區(qū)的設(shè)計(jì)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(jì)方面。在大面積BJT中，增加集電極的摻雜濃度會(huì)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(huì)使載流子渡越空間電荷區(qū)的時(shí)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(duì)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(jí)電流很小的情況下BJT的增益的表達(dá)式如下[3]：

使用器件仿真軟件MEDICI進(jìn)行仿真，仿真得到BJT的電流增益隨著基級(jí)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(jì)好的模型中不會(huì)出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，這就要求我們對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模型進(jìn)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(gè)次序來(lái)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(duì)發(fā)射極進(jìn)行研究

首先對(duì)發(fā)射區(qū)進(jìn)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(shí)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(wú)關(guān)。

3.2.2 對(duì)基級(jí)進(jìn)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(duì)基區(qū)的研究主要分為基區(qū)的位置的設(shè)計(jì)和基區(qū)摻雜濃度的設(shè)計(jì)[5]。

首先我們對(duì)基區(qū)的寬度進(jìn)行分析，在增大或者減少基區(qū)寬度的情況下對(duì)BJT沒(méi)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(huì)使得BJT發(fā)生雙峰現(xiàn)象。

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

再考慮基區(qū)的某一個(gè)區(qū)域的摻雜濃度發(fā)生突變。對(duì)基區(qū)發(fā)生突變的研究中我們經(jīng)過(guò)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(huì)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(gè)也符合式子1中的表達(dá)式。

4 BJT產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象的原因的分析

4.1 設(shè)計(jì)失誤

我們可以由上一節(jié)對(duì)雙峰現(xiàn)象從器件設(shè)計(jì)上的失誤上來(lái)分析，在設(shè)計(jì)時(shí)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(dá)式中電流增益的數(shù)值發(fā)生改變。

4.2 操作失誤

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

5 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)BJT設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)，工藝流程，測(cè)試都相關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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

[2]章從福.IBM開(kāi)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(jì)[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.