雙極性晶體管電流增益的研究

高勝

摘要：在傳統雙極性晶體管（簡稱BJT）的Gummel曲線中電流增益β都只有一個波峰（簡稱單峰），然而現在實驗室實測數據得到BJT的增益特征曲線出現了兩個波峰的現象（簡稱雙峰），針對雙峰現象建立器件模型，并分別從器件的結構和基極發射極和集電極的摻雜濃度上進行分析，得到基極的摻雜濃度和摻雜位置影響器件產生雙峰現象。

關鍵詞：BJT 單峰 雙峰 電流 增益

中圖分類號：TN32 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）10-0044-02

1949年，BJT的誕生標志著現代電子器件的出現，在隨后的幾十年中對于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。現在隨著工藝線的提高BJT的尺寸越來越小并且性能得到了大幅度的提高。三極管的主要用途，現在三極管的用途悅來越廣泛，主要用于放大，整流，功放等[1]。

1 BJT的基本結構和工藝流程

器件設計時采用TCAD軟件中的MEDICI進行設計，在設計中首先對器件的整理布局進行設計，本論文設計中采用的是平面結構[2]。器件的水平結構圖如圖1：

BJT的主要的工藝流程：襯底制備，埋層制備，生長外延層，形成隔離區，集電極制備，基區的形成，發射區的形成，金屬接觸，形成金屬互連線，封裝測試。

2 BJT的設計

2.1 發射區的設計

BJT的放大倍數受發射區和基區的濃度值的直接的影響，提高BJT的放大倍數必須提高發射區的摻雜濃度和降低基區的摻雜濃度來完成。應當適當的減少發射區的厚度，來減少BJT的發射極的寄生電阻Re。

2.2 基區的設計

在基區的設計過程中，主要是設計基區的位置和摻雜濃度。基區的摻雜濃度應當有一個合適的值，若摻雜濃度過高會降低BJT的增益影響BJT的性能。但是由于BJT的發射區與基區都是高摻雜的，則發射結的耗盡層厚度非常的薄，從而反向偏壓下發射極和基級之間的隧穿漏電流就不能忽略，并且還會導致正向偏壓下出現非理想的基級特性，在這種情況下可以改變基區的摻雜分布情況，提高基區摻雜濃度來解決，但是這樣又會使得增益下降，只有調節一個最合適的搭配比例才能使得BJT有一個良好的性能。

2.3 集電區的設計

BJT集電區對器件的所有參數都有影響，而對集電區的設計主要集中在集電區的摻雜濃度和集電區的寬度的設計方面。在大面積BJT中，增加集電極的摻雜濃度會使最高振蕩頻率和特征頻率都減小。較寬的低摻雜集電區會使載流子渡越空間電荷區的時間增大，從而導致特征頻率下降。在本文中主要考慮的是BJT的增益，而集電區對增益的影響較小。

3 BJT增益的研究

3.1 BJT單峰現象的研究

在基級電流很小的情況下BJT的增益的表達式如下[3]：

使用器件仿真軟件MEDICI進行仿真，仿真得到BJT的電流增益隨著基級電壓的變化圖如圖2：

3.2 BJT雙峰現象的研究

在已經設計好的模型中不會出現雙峰現象，這就要求我們對已經設計好的模型進一步的研究，分析產生雙峰現象的原因。在我們不知道其是由于什么情況產生雙峰現象的情況的下，我們分別從發射區，基區，集電區三個次序來研究。然而集電區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 對發射極進行研究

首先對發射區進行研究，在式子1中可以知道電流增益受發射的的摻雜濃度和發射區的寬度的影響，仿真時增加或者減少發射區的摻雜濃度和寬度并得到仿真圖，仿真圖表明發射區的摻雜濃度和寬度只影響BJT的增益的大小，與產生雙峰現象無關。

3.2.2 對基級進行研究

探討基區引起BJT產生雙峰現象的研究：對基區的研究主要分為基區的位置的設計和基區摻雜濃度的設計[5]。

首先我們對基區的寬度進行分析，在增大或者減少基區寬度的情況下對BJT沒有產生雙峰現象，所以單一的改變基區的寬度是不會使得BJT發生雙峰現象。

同理對基區的摻雜濃度進行設計，得到和基區的寬度設計一樣的結果沒有產生雙峰現象。

再考慮基區的某一個區域的摻雜濃度發生突變。對基區發生突變的研究中我們經過大量的仿真得到，在基區中間位置某一區域的摻雜濃度突然增高會使BJT發生雙峰現象，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在雙峰下摻雜濃度發生了突變，并且是某一部分的摻雜濃度升高引起的，這個也符合式子1中的表達式。

4 BJT產生雙峰現象的原因的分析

4.1 設計失誤

我們可以由上一節對雙峰現象從器件設計上的失誤上來分析，在設計時可以使得某一塊的濃度升高，這樣就造成基區的濃度不平整，就是的在表達式中電流增益的數值發生改變。

4.2 操作失誤

由于擴散儀器的原因，常規的器件在經過器件的設計后，然后進行工藝仿真，最后就是流片，在流片當中由于擴散爐擴散不均勻會使得器件的某一部分的濃度過高。測試儀器的操作失誤也會引起BJT產生雙峰現象。我們可以采用更加先進的生產工藝線使得失誤降低到最低。

5 結語

常規BJT設計中只有單峰現象，在基區的摻雜濃度發生突變的情況下會使BJT的Gummel曲線中的增益曲線出現雙峰的現象，而這種現象的產生的原因與BJT器件的設計，工藝流程，測試都相關。

參考文獻

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

[2]章從福.IBM開發出世界最小的硅晶體管 [J].半導體信息，2003 （01）.

[3]陳星弼，張慶中.晶體管原理與設計[M].第二版.北京：電子工業出版社.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.