了解异质结双极晶体管 （HBT）

介绍

在晶体管发明之前，电话交换机是使用笨重的真空管和机械继电器建造的。贝尔实验室的工程师负责开发晶体管（“传输电阻”的端口），作为现有技术的更小，更不麻烦的替代品。1947年的发明预示着半导体工业的开始，它永远地改变了世界。John Bardeen，Walter Brattain和William Shockley将因其对半导体的研究和晶体管效应的发现而于1957年获得诺贝尔物理学奖。晶体管将对从无线通信到计算的技术的快速发展产生深远的影响，并最终塑造信息时代的格局。[1,2]

要开发和生产的设备的最早版本是使用锗的同结晶体管。这很快被硅取代，因为锗在75°C以上停止工作[2]，这使得它对于大多数应用都是不切实际的。性能的逐步提高，特别是在工作频率方面，促使德裔美国物理学家赫伯特·克罗默（Herbert Kroemer）发展了异质结双极晶体管（HBT）理论，该理论使用两种或更多种不同的半导体材料，具有不同的带隙[3]来实现高频操作。他的工作为他赢得了2000年的诺贝尔奖[4]。虽然该理论早在1957年就被提出[4]，但HBT的生产必须等到1977年才能出现能够制造它的设备;首先使用MBE（分子束外延），然后使用MOCVD（金属 - 有机化学气相沉积）[5]。

随着行业趋势越来越多地采用半导体技术，Mini-Circuits推出了宽带MAR和MAV系列MMIC放大器，这些放大器采用硅同结技术，工作频率高达2 GHz。但随着 HBT 技术的出现，使用 HBT 技术的 ERA 系列放大器被开发出来，最初将工作频率提高到 8 GHz，后来又提高到 20 GHz。这些放大器不仅提高了工作频率，提供了出色的OIP3（输出三阶截点），而且还具有更高的易用性。大多数HBT放大器在芯片上具有宽带匹配，因此需要最少的外部元件。此外，与pHEMT器件相比，HBT提供出色的1/f噪声，因此在某些应用中（如放大器和振荡器）中是首选。

本文解释了同质晶体管和异质结晶体管背后的物理原理，并讨论了HBT放大器设计的优势。本文介绍了Mini-Circuits的HBT放大器的可靠性研究结果，并参考了使用HBT技术设计的Mini-Circuits完整的MMIC产品组合。强烈建议读者查看本系列中关于微电路博客上发布的RF半导体[6]和pHEMT技术基础知识的前两篇文章[7]，以最全面地了解本文。

晶体管配置

在我们进入HBT相对于同结晶体管的优势之前，它将有助于回顾晶体管，符号和工作模式的基础知识。

图 1：NPN 和 PNP 晶体管。

晶体管有三个区域;发射极、基极和集电极，可以采用两种不同的方式构建，如NPN或PNP。NPN晶体管具有一个N掺杂发射极，一个P掺杂基极，后跟一个N掺杂集电极，如图1a所示，如图1b所示。因此，PNP晶体管具有P掺杂发射极和N掺杂基极，后跟P掺杂集电极也就不足为奇了，如图1c所示，图1d所示。原理图1b）和1d）中箭头的方向表示发射极-基极结向前偏置时的电流。

发射极-基极和基极-集电极结可以正向或反向偏置，从而产生四种可能的组合，并使用[8]，如表1所示。本文专门介绍放大器中使用的NPN正向有源模式。在NPN晶体管中，电流由具有比空穴更高的迁移率的电子驱动，这导致更高的工作频率。

表 1：发射极-基极和基极-集电极结的不同偏置组合以及相应的模式。

图2显示了NPN晶体管的三种可能配置：共发射极、共基极和共集电极。PNP晶体管也具有类似的配置。

图 2：NPN 晶体管的偏置配置。

在晶体管中，发射极“发射”电子或空穴，由集电极“收集”。那么基础是什么呢？这是许多新手和有经验的工程师都会问的问题。威廉·肖克利（William Shockley）是晶体管的发明者之一[9]，也是诺贝尔奖获得者，他将这种基体描述为“原始的点接触晶体管结构，由n型锗板和两个支撑在塑料楔块上的金线触点组成。他继续说道，“由这种结构产生的'碱基'这个名字，并不像'发射器'和收集器那样具有功能意义。参见图3a的原始点接触晶体管的视觉效果和3b）的原理图[9，10]。

图3：原装点触点晶体管。

在晶体管中，在正向有源模式下，小基极电流控制较大的集电极电流，从而导致放大。因此，我们有一个放大器。在NPN晶体管中，来自发射器的电子通过扩散进入基极，它们的动量将它们带到收集器，在那里它们被收集。由于碱基相对较薄，因此基极中丢失的电子很少。

评论：化合物半导体

出于我们稍后将解释的原因，HBT使用化合物半导体。让我们回顾一下化合物半导体的基础知识。

表2显示了元素周期表中央部分可用元素的部分列表。

表2：元素周期表的中心部分[4]。

表2中的两个或多个离散元件可用于形成化合物半导体。桌子的中央是硅（Si）和锗（Ge）。Si和Ge的合金，SiGe（pr.“SIGH-gee”）被用作硅HBT中的材料之一。

根据Kramer[4]的说法，第三列中的每个元素都可以与第五列中的每个元素结合，形成所谓的III-V化合物。砷化镓就是这样一个例子。在HBT中，一个常见的例子是铝 - 镓砷化物，AIxGa1-xAs，其中x是Al原子占据的晶体中第III列位点的分数，1-x被Ga原子占据。因此，我们不仅有12种离散化合物，而且根据晶体结构中每种化合物的浓度，可以连续选择材料。因此，可以制造组合分级的异质结构，其中组成连续变化而不是在整个器件结构中突然变化。这是克罗默关于发现HBT的诺贝尔演讲的重点。参见图4，了解一些化合物的图示[7]。

图4：各种半导体材料的晶格常数与带隙的关系。

同质和异质结双极晶体管（HBT）操作的物理原理

目前的主要问题是，什么是HBT，异质结结构如何改善晶体管操作？能带图可用于帮助回答这个问题。有关能量带图的教程，请参阅MiniCircuits博客上的上一篇文章[6]。图5显示了正向有源模式下HBT与同结NPN晶体管的能带图。为简单起见，未显示真空度。

从发射器注入的电子通过扩散克服了能垒qVn并进入基极。一般来说，基极宽度很小，因此大多数电子由于其动量而穿过基极，并被收集器收集。然而，由于发射极-基极耗尽区域和基极区域的复合，少量电子丢失。

现在考虑构成大多数的底座上的孔。它们进入发射器，分别克服了同晶和异质结晶体管中的能垒qVph和qVp。请注意，qVp大于δEg的qVph，这是改进HBT操作的关键，我们将在后面看到。

图5：能带图，电流;同质结与异质结双极晶体管。

图5b）所示晶体管中的各种电流如下：

In：从发射器到基极的电子电流

Ip：从基极到发射器的空穴电流

Is：由于正向偏置发射极-基空间带电层内的电子/空穴复合而产生的电流

IR：由于基底体复合引起的电流

即：发射极电流 = In +Ip + Is

Ic：集电极电流 =In – Ir

Ib：基极电流 = Ip+Ir + Is

忽略ICO，集电极至基极反向电流、共发射极电流增益的定义如下：

忽略 Ir和Is，最大可实现β为 [11]：

这里：

Ne和Pb分别是发射器和碱基的掺杂水平。

vnb和vpe分别是从发射极到基极和空穴从基到发射极的电子的平均速度，通常为5</<50。

kb是玻尔兹曼常数。

ΔEg是发射器和基材之间的带隙差。

T 是以 K 为单位的温度。

在同晶硅晶体管中，ΔEg=0，因此，方程（2）简化为：

因此，为了获得高β最大值（>100），发射器需要与碱基（Ne >Pb）相比进行大量掺杂。

发射极的重度掺杂会扩大掺杂较轻的基极耗尽区域，导致基极宽度与基极-发射极电压变化相比发生变化，这反过来又导致基极宽度调制、线性度降低，在最坏的情况下，还会导致穿孔。

在良好的HBT中，例如使用AlGaAs作为发射器，GaAs作为基极，

ΔEg ≈ 0.2eV

在室温下，kbT= 0.025eV，ΔEg/kbT= 8。

因此，ΔEg/kbT≈3000。

在典型的 HBT中，Ne/Pb ≈ 1/10。也就是说，与发射器相比，基极被严重掺杂，从而最大限度地减少了基极宽度调制。

因此β max = 5 x 0.1 x 3000 ≈ 1500，这是一个巨大的数字。

因此，Ip =In/ βmax= In/（1500），与 In 相比，这可忽略不计，可以忽略不计。这是HBT的一大优势，因为它最大化了电流增益。

回到等式（1），忽略Ip，

一个设计良好的HBTβ大约100个。

图6：典型的HBT横截面，层厚度和掺杂[12]。

现在，让我们通过一个例子来回顾HBT的实际实现[12]。图6（a）显示了其平面实现中的典型HBT横截面，图6（b）显示了层函数，材料，厚度和掺杂。该结构包括：

1. 形成外延层的半绝缘砷化镓。

2. 砷化镓 N+ 子集电极旨在为轻度掺杂的 n- 集电极和集电极金属提供高电导率界面。

3. P+ 砷化镓碱基大量掺杂以降低碱基电阻，并降低深度以缩短碱基传输时间。

4. 一种 N 型发射器，其中 AlGaAs 叠层与 P+ GaAs 基极形成异质结（注意，与基极相比，发射器的掺杂程度较轻）。

5. N+ 电容，旨在为 N 发射器和发射器金属提供高电导率接口。

该结构的最大振荡频率（fmax）为200 GHz [13]。与此相比，fmax为20 GHz [5]的高级同结晶体管，提高了10倍。

HBT的综合效能衡量指数[5]

fT、共发射极电流增益/截止频率和最大振荡频率fmax作为HBT的品质因数。

共发射极电流增益/截止频率定义为：

这里：

tee = 发射极基极充电时间，与发射极基极电容成正比。在HBT中，这通常很低。

tb = 基流传输时间，由于基层较薄，在 HBT 中也很低。

tc = 集电极耗尽层传输时间，与集电极基极电容成正比。这通过低收集器掺杂保持低水平。

tcc = 收集器传输时间。

最大振荡频率定义为：

它表明，较低的基极电阻RB和较低的集电极到基极电容CBC会增加振荡的最大频率。

Epi设计人员优化所有这些参数，以实现所需的性能。

综上所述：

1. HBT使用发射器半导体材料，与基极相比，其带隙更宽。

2. HBT使用比同晶硅晶体管更高的碱掺杂，导致碱基电阻降低。

3. 发射极基异质结为空穴注入提供高能量势垒，为电子注入提供较低的能垒，从而实现高发射极注入效率。

4. 较低的发射极掺杂导致少数载流子存储可以忽略不计，从而降低了基极-发射极电容并实现了更高的频率操作。

5. 由于基极较薄，因此高电子迁移率和较低的电子传递时间导致更高的工作频率。

6. 半绝缘基板有助于减少焊盘寄生效应，并允许方便地集成器件。

HBT技术补充了pHEMT，以实现更高的工作频率，但具有一些明显的优势，如下所示：

与pHEMTs相比，HBTs的优势[5]。

噪声

噪声是流经半导体体材料或器件产生的电压的意外波动[13]。由于不需要的噪声叠加在所需的信号上，因此会降低信噪比。

闪烁噪声与频率成反比，通常称为1/f噪声，随着频率的降低而增加。因此，在与载波频率的低偏移频率下，这一点非常重要。闪烁噪声是表面缺陷的函数。在HBT中，电流垂直于表面流动（见图7a），因此1/f噪声贡献最小。将其与pHEMT进行比较，其中电流沿表面流动（见图7b），因此pHEMT中的1/f噪声通常高于HBT。

图7：HBT和pHEMT中的电流方向。

HBT放大器（GALI-39+，ERA-39+）和pHEMT放大器（PSA-545+）的相位噪声和幅度噪声的测量值如图8所示。

图 8：HBT 和 pHEMT 放大器的相位和幅度噪声。

图8清楚地显示了HBT放大器的卓越性能，这些放大器和振荡器应用是针对要求苛刻的放大器和振荡器应用而选择的。

可靠性

Mini-Circuits在其基于HBT的放大器模型上进行HTOL（高温工作寿命测试），以证明可靠性并计算平均故障时间（MTTF）。下面是一个示例。

GVA-81+ 型在 80 个样品的结温下经 HTOL 5000 小时。基于这些测试计算的 MTTF 如图 9 所示。

图 9：基于 GVA-81+ HBT 的 MMIC 放大器的 MTTF与结温的关系。

请注意，在最高工作温度和额定电流下，Tj 为 121°C 。从图7开始，在121°C时，MTTF为3.6 x106小时（或415年），置信度为90%。这是非常可靠的。

微型电路部件的设计要求是高可靠性。设计人员会考虑热方面，并将Tj设定为在最高环境温度下低于130°C 。这通过热成像进行验证，可靠性通过HTOL进行验证（注1）。如果不满足这些条件，则重新设计产品。

结论

HBT技术多年来已经成熟，从而产生了高度可靠的微波和毫米级放大器产品，具有高达20 GHz的出色宽带性能。HBT的1/f噪声性能与硅晶体管相当，因此在关键放大器中是首选。Mini-Circuits拥有广泛的HBT放大器产品组合，采用各种塑料和陶瓷封装。

引用

1. 1956诺贝尔物理学奖 – 约翰·巴丁、沃尔特·布拉坦和威廉·肖克利 – 诺基亚贝尔实验室（bell-labs.com）

2. Michael Gordon，“晶体管的失落历史，PP 44-49，IEEE Spectrum，2004年5月

3. Kroemer H.，“晶体管宽间隙发射器理论”，IRE进程，第45卷，第11期，PP 1535-1537，1957年11月

4. 赫伯特·克罗默 – 诺贝尔讲座：准电场和频带偏移：教授电子新技巧（nobelprize.org）

5. Fazal Ali & AdityaGupta， “HEMT and HBTs：Devices， Fabrication and Circuits”，Artech House， 1991.

6. 射频半导体（MMIC）入门 – 微型电路博客（minicircuits.com）

7. MMIC技术：伪形态高电子迁移率晶体管（pHEMT） – 微型电路博客（minicircuits.com）

8. Jacob Millman &Arvin Grabel， “Microelectronics” McGraw-HillInternational， 1988

9. William Shockley，“The Path to the Conception of the Junction Transistor”，PP1523-1546，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol. ED-31，No. 11，1984 年 11 月

10.https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/bardeen-lecture.pdf

11.Kroemer， H.， “异质结构双极晶体管和集成电路”， P13-25， IEEE Proc， Vol. 70， No. 1， 1982年1月

12.P.M.阿斯贝克等人“用于微波和毫米波集成电路的异质结双极晶体管”PP1462-1470，IEEE微波理论与技术学报，第MTT35卷，第12期，1987年12月

13.S.M.Sze et.al.， “半导体器件的物理”， Wiley， 2021

14.M.E.Kim et.al，“用于高性能模拟和微波应用的GaAs异质结双极晶体管器件和IC技术”，PP1286-1303，IEEE微波理论与技术学报，第37卷。问题 9.1989 年 9 月

15.KROEMER H.， “异质结构双极晶体管和集成电路”，Proc IEEE， Vol 70， No1， PP 13-25

16.https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/shockley-lecture.pdf

17.微型电路，“放大器中的加相位噪声”https://blog.minicircuits.com/additive-phase-noise-in-amplifiers/

术语和缩略语词汇表

MMIC：单片微波集成电路

HBT：异质结双极晶体管

场效应晶体管：场效应晶体管

HEMT：高电子迁移率晶体管

pHEMT：伪态高电子迁移率晶体管

发光二极管：发光二极管

HBT：异质结双极晶体管

原始细胞：可以复制以形成整个晶体的最小原子组合

晶格常数：基元单元的维数

外延/外延：独特的生长模式，其中生长膜的晶体结构与底物的晶体结构相匹配

带隙：半导体和绝缘体中从价带顶部到导带底部的能量间隙

MBE：分子束外延

MOCVD：金属-有机化学气相沉积

致谢

全文翻译自minicircuits博客文章。