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1、半导体器件原理南京大学Chapter5双极型器件的设计与性能参数一、双极型器件的设计一般设计：减少内在电阻与电容特殊设计：满足特殊电路要求1。发射区的设计发射区参数影响基区电流，而对集电极电流无影响。但一般而言，并不采用该方法来改变基区电流。在数字电路中，只要电流增益不太低或基区电流不特别高，器件参数并不明显依赖于基区电流。对逻辑电路而言，只要电流增益足够大，基区电流的重复性要较其大小更重要。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学调节基区电流而改变发射结的工艺过程均会影响其它器件参数。一般固
2、定发射结工艺，通过独立改变基区和集电区的设计来改进器件和电路参数，不影响基区电流。发射结的设计目标：获得一低而稳定的基区电流的同时，尽可能的减小发射结的电阻。（1）扩散或离子注入加扩散的发射区预掺杂加热扩散，一般采用As（N）以获得陡峭的掺杂、浅发射结以获得薄的本征基区。半导体器件原理南京大学采用金属硅化物做欧姆接触，将有助于减小发射结宽度，而当发射结宽度小于少子扩散长度时，基区电流随1/WE而增大，导致基区电流和电流增益随发射结的接触工艺而变化。扩散的发射结不适合于基区宽度小于100nm的器件工
3、艺（将导致非可控和重复的基区电流特性）。（2）多晶硅发射结小于100nm基区的器件一般采用多晶硅栅。25nm的发射结深度，可以获得50nm左右的基区宽度（发射结电容小于扩散结的1/3）半导体器件原理南京大学发射结的工艺设计：减小发射结串联电阻和足够大的发射结反向击穿电压，以及理想的基区特性。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学2。基区的设计发射区参数决定基区电流，基区参数决定集电极电流。双极电路的性能主要由集电流决定，而不是基区电流。只要电流增益足够大，对多晶硅发射结而言，器件的设计与优化
4、重点在本征基区或本征基区与集电区。（1）集电极电流密度与基区薄层电阻率的关系半导体器件原理南京大学（2）本征基区的掺杂分布半导体器件原理南京大学（3）准中性基区的电场半导体器件原理南京大学小电流下准中性基区的电场:重掺杂效应导致电场倾向于补偿由于掺杂分布引起的电场。漂移晶体管原理在现代薄基区双极型晶体管的设计中的作用较在宽基区晶体管设计中减小很多。半导体器件原理南京大学（4）基区渡越时间（另一种解释）半导体器件原理南京大学（5）SiGe基区基区集电结具有最大的Ge组份，而近发射结具有最小的锗组份，
5、以最大化电子的漂移电场。通常的SiGe双极型晶体管是基区带隙渐变的晶体管。半导体器件原理南京大学特点：（1）高发射效率（高势垒对注入到发射区的少子的阻挡作用）（2）低基区电阻（由于（1）可对基区重掺杂，而不影响发射效率）（3）低的发射极电流集边效应（由于低的发射结电压）（4）改进频率特性（由于（1）与（2））（6）较高的工作温度。制备：外延生长技术。结构：缓变基区：产生内建电场。双异质结结构：宽发射与集电极。半导体器件原理南京大学电流放大半导体器件原理南京大学厄来电压半导体器件原理南京大学半导体器
6、件原理南京大学基区渡越半导体器件原理南京大学3。集电区的设计半导体器件原理南京大学集电区的设计要点:(1)减小串联电阻,但集电区厚度对基区-集电极击穿电压和大电流下的集电极电流特性有较强的作用.(2)尽量减小寄生集电区的面积及其电容.(3)对一给定的非本征基区面积,寄生集电区的掺杂应尽可能的小,以获得最小的电容和最大的非本征基区-集电极的反向击穿电压.基区展宽效应较小时的集电极设计要控制基区展宽效应,集电极电流必须远小于最大电流密度半导体器件原理南京大学必须增大集电区掺杂浓度,以使集电极允许值不致
7、过小.这又将导致基区-集电结电容的增大以及基区-集电结的击穿,集电区的设计必须进行优化和折衷.基区-集电结击穿效应的折衷:现代VLSI电路的工作电压为3-5V,这足以导致双极型器件的基区-集电结的击穿.(1)减小掺杂浓度,但将减小电流密度(2)近基区-集电结的基区掺杂分布的设计扩散或离子注入,导致一逐渐减小的掺杂浓度分布,减小近基区-集电结的基区电场.半导体器件原理南京大学(3)近基区-集电结的集电区掺杂分布的设计采用退化的集电区掺杂分布,以减小相应电场.以上技术同时将减小基区-集电结的耗尽层电容
8、,从而改进器件性能.但将引起基区扩展效应的加剧,这又要求减小基区-集电结电流密度以及最高速度.半导体器件原理南京大学2)基区展宽效应较大时的集电极设计实际的双极型器件的电流密度超过0.5mA/um2,导致较大的基区扩展效应.基区扩展效应导致多余的少数载流子存储在集电区中,从而贡献于发射结扩散电容.这时,扩散电容将限制电路速度和截止频率.减小扩散电容,必须使存储在集电区中的少数载流子最少.除采用退化分布之外,必须减小集电区层厚度(通过外延技术可以实现),而这将导致基区-集电结的耗尽层
