InP基含锑(Sb)基区DHBT器件性能研究

摘要

InP基含锑基区DHBT器件因具有独特的交错Ⅱ型能带结构，表现出良好的频率特性，击穿特性和热特性，进一步研究InP基含锑基区DHBT器件具有重要意义。半导体器件的计算机仿真(TCAD)是现代研究和设计半导体器件的基本技术。随着器件尺寸越来越小，直至进入深亚微米区，漂移扩散模型不能正确地描述器件内载流子的输运过程。本文从玻耳兹曼输运方程出发，在弛豫时间近似下得到了Silvaco/Atlas器件模拟器中包含非局域效应的能量平衡模型和流体动力学模型中电子、空穴电流密度和能流密度的表达式，并利用此模拟器结合适当的材料参数模型，分析了特定的二维结构的InP基含锑基区DHBT器件的性能，取得了如下结果: (1)使用四种器件模型对50nm基区厚度的InP/GaAs0.51 Sb0.49/InP DHBT器件性能的仿真结果的对比分析表明，对于此种厚度基区的器件，数值计算必须包含非局域效应，漂移扩散模型不能正确地描述器件内部物理机制。器件内载流子散射机制对器件性能有很大的影响。 (2)基于等温能量平衡模型，分析了具有InGaP缓变发射结结构的InP/GaAs0.51Sb0.49/InPDHBT器件的性能。结果显示，InGaP缓变发射结InP/GaAs0.51 Sb0.49/InPDHBT器件比突变发射结器件具有更高的共发射极直流增益，更大的集电极输出电流和更高的特征频率。 (3)基于非等温能量平衡模型，分析了四种不同基区As组分的缓变对InP/InGaP/GaAsSb/InP DHBT器件的热电性能的影响。结果显示，As组分缓变的引入改善了器件的共发射极直流增益和特征频率，但同时器件温度也随之升高;直流增益和温度增加的速率随As组分缓变范围的增大而增大，特征频率增加的速率随As组分缓变范围的增加而迅速减小;基区As组分为0.57至0.45由发射区侧到集电区侧线性分布的器件具有较高的增益和特征频率与较低的内部温度，在增益、特征频率与温度间达到了较好的折中。 (4)基于等温能量平衡模型，研究了InP/In0.24Ga0.76As0.73Sb0.27/InGaAs DHBT器件的电学性能。结果表明，器件发射结开启电压和集电极-发射极补偿电压均较小，器件具有良好的共发射极输出特性、较高的特征频率和良好的集电极-发射极击穿特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 HBT概述

1．2 HBT结构与工作原理

1．2．1 BJT结构与原理

1．2．2 HBT材料结构与工作原理

1．3 衡量HBT器件性能的主要电学参数

1．4 HBT材料体系与结构改进

1．4．1 HBT材料体系

1．4．2 HBT的结构改进

1．5 InP基锑化物基区HBT研究历史和现状

1．5．1 InP／GaAsSb／InP DHBT的提出

1．5．2 InP基锑化物基区DHBT的发展

1．6 本文研究意义及内容安排

第2章 器件模型理论和GaAsSb材料特性

2．1 引言

2．2 弛豫时间近似下求解玻耳兹曼输运方程

2．2．1 玻耳兹曼方程

2．2．2 弛豫时间近似

2．2．3 电流密度和能流密度方程

2．3 能量平衡模型与流体动力学模型

2．4 材料参数模型

2．4．1 载流子复合模型

2．4．2 碰撞电离模型

2．4．3 载流子迁移率模型

2．5 GaAsSb材料特性

2．5．1 晶体结构和晶格匹配

2．5．2 能带参数

2．5．3 有效质量和有效状态密度

2．5．4 载流予迁移率

2．5．5 载流子寿命

2．5．6 热导率与热阻

2．6 本章小结

第3章 InP／GaAsSb／InP DHBT性能分析

3．1 引言

3．2 器件结构和模型

3．3 不同器件物理模型的结果与分析

3．4 本章小结

第4章 InP／InGaAs／GaAsSb／InP DHBT性能分析

4．1 引言

4．2 具有InGaP缓变结构的InP／GaAsSb／InP DHBT器件性能分析

4．2．1 器件结构和模型

4．2．2 缓变发射结InP／GaAsSb／InP DHBT器件结果与分析

4．3 As组分缓变基区InP／InGaP／GaAsSb／InP DHBT器件热电性能分析

4．3．1 器件结构与模型

4．3．2 缓变基区InP／InGaP／GaAsSb／InP DHBT器件结果与分析

4．4 本章小结

第5章 InP／InGaAsSb／InGaAs DHBT性能分析

5．1 引言

5．2 器件结构与模型

5．3 InP／InGaAsSb／InGaAs DHBT器件结果与分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间录用和发表的论文