基于TCAD的SiGe HBT 仿真

目录摘要：........................................................................................................................10前言............................................................................................................................11双极型晶体管的分类.................................................................................................21.1HMET和HIGFET的伏安模型......................................................................21.2双极结晶体管（BJT）......................................................................................31.3异质结双极型晶体管（HBT）.........................................................................72异质结双极型晶体管（HBT）.................................................................................82.1HBT的高频特性...............................................................................................82.2HBT的数字应用.............................................................................................102.3HBT的线性电路数字应用.............................................................................113各种HBT的研究.....................................................................................................123.1InP/InGaAs单异质结双极晶体管...................................................................123.2Si/SiGeHBT高频噪声性能............................................................................143.3四元系AlGaInP...............................................................................................173.4SiGe基区异质结双极型晶体管......................................................................204基于基极的SiGeHBT的设计、仿真及结果........................................................214.1仿真进程..........................................................................................................254.2仿真结果...........................................................................................................254.3结果..................................................................................................................255结论...........................................................................................................................25参考文献........................................................................................错误!未定义书签。1基于TCAD的SiGeHBT仿真摘要：从优良的电性能看，SiGeHBT在超高速电路应用方面前景广阔。根据SiGeHBT的电学性能可知,它们非常适用于移动通信手机、蜂窝基站的驱动级、有线电视和光纤的驱动放大器[1]。近年来，在移动通信、高速公路智能控制系统（ITS）、光通信以及很多微波领域得到了很好的应用。常规工艺制作的Si/SiGeHBT高频噪声性能不理想的主要原因是其基极电阻较大，为减小基极电阻从而达到改善其高频噪声的目的，它常用增加基区浓度和基区厚度的办法来实现。而基极电压的不同也会对Si/SiGeHBT高频噪声性能产生影响，因此本文通过对基极电压的不同取值，找到最优值，以利于提高小注入的电流增益。而且器件的电流增益β值线性度提高，更加有利于小信号线性放大应用。运用TCAD仿真软件进行验证。关键词：HBT，基极电压，仿真，噪声系数BasedontheTCADthesimulationofSiGeHBTAbstract:Judgingbythefinerelectricityperformance,theapplicationofSiGeHBTinVHSICprospect.KnowbytheelectricalperformanceknowableofSiGeHBT,theyareverysuitableformobilephones,thedriverofthebaseclass,thedriveramplifierofthecableandopticalfiber.Recentyears,inmobilecommunications,theintelligentcontrolsystem（ITS）photo-communicationandmanylittlefieldwellapplication.ThemainreasonofconventionaltechniquesoftheSi/SiGeHBThighfrequencynoiseperformanceistheresistanceofthebaseregion,forreducetheresistanceofthebaseregionandimproveitshighfrequencynoise,itisanincreaseconcentrationandthethicknessofabasearea.AndthevoltageofthebaseregionisalsototheSi/SiGeHBThighfrequencynoiseperformanceimpact,therefore,thearticlethroughatthebaseregionisdifferentfromthevalueofthevoltageandfindthebestvalueinimprovingtheflowofcurrentgainandtheenhancementofthecurrentvalueofthelinearthebeta,morefavourabletotheenlargementoftheapplicationofthesignalforthenonhomogeneouslinear.UseTCADsimulationsoftwaretoverification.Keywords:heterojunctionbipolartransistor,basevoltage,simulation,noisefactor0前言对于一般的BJT，为了进一步提高频率和速度，就要求减小基极电阻、减小发射结电容和减小寄生电容。而一般的BJT，为了提高注射效率，需要尽可能降低基区掺杂浓度NB和提高发射区掺杂浓度NE，使比值(NB/NE)降低；但是由于发射区重掺杂会引起禁带宽度变窄和Auger复合显著，反而使注射效率降低，同时也会使发射结电容增大；而且基区掺杂浓度也不能太低，否则会使基极电阻增大。所以采用降低比值(NB/NE)的方法来提高发射结注射效率的作用是很有限的，而且提高放大能力与提高频率和速度是互相矛盾的。也因此一般的BJT在实现超高频、超高速上遇到了不可克服的困难。而异质结BJT2（HBT）是一种新型结构的重要器件，它克服了频率、速度与放大系数之间的矛盾，从而可实现超高频和超高速。1双极型晶体管的分类1.1HMET和HIGFET的伏安模型我们把y点的漏极电流写作：(1)我们已经确定了Nch(y)，可将低到中场区的平均净载流子速度写作：(2)由上（1）（2）两式得：（3）将上式（3）对y从0到L积分，或者等效地，对VCS从0到VDS积分，积分的结果为：（4）表达式（4）在VDS(VGS-VT)的情况下成立，当VDS(VGS-VT)时，iD饱和，其值为：（5）这些表达式应该与MOSFET的相似。它们与通常使用的MOSFET的表达式完全相同。最后，饱和时候的小信号跨导gm为：（6）我们最后关心这些器件的高频特性。一个较好的方法是研究ωT，我们将其写作：（7）我们还没有确定Cgs，但我们事实上已经对其有了了解，因为这些器件的Cgs与MOSFET的相同：（8）由此式得：3（无速度饱和）（9）当存在严重的速度饱和时，我们有S(y)=Ssat，并记作：（10）现在我们可以计算得到小信号跨导为：（速度饱和）（11）这些表达式应该与MOSFET的相似。它们与通常使用的MOSFET的表达式完全相同。最后，饱和时候的栅源电容Cgs就是栅极电容WLWBG/tWBG，所以：（速度饱和）（12）高频特性度量：ωT，ωmax我们引入ωT，定义为短路电流增益为整时的频率，表示为：（13）ωT是高速开关特性的一个很好的度量量，但对于微波应用，更好的度量量是ωmax，源和负载阻抗匹配时的整功率增益。我们发现这个频率可粗略地由下式给出：（14）后一个度量量显示了在FET微波放大器应用中减小栅极电阻Rg，和栅-漏电容Cgd的重要性。注意：在讨论HBT时，我们会引入第三个高频特性度量量ωV1.2双极结晶体管（BJT）1.2.1单质结BJT的复习图1BJT截面图要理解和对BJT建模，我们首先要确定：然后我们还会将表达式重新写成一个对很多应用更方便的形式：4BJT特性的埃伯斯-莫尔（Ebers-Moll）模型将问题分解为两个独立的部分，正向和逆向：（15）对于正向部分，有：（16）为将上式化为较方便的形式，我们定义发射极和基极缺陷：（17）再定义发射极饱和电流，IES，和正向α，αF：（18）由这些定义，我们有：（19）解基极电流得：（20）最后，我们注意到通过定义正向β，βF，可以很方便的联系iBF和iCF：（21）同样，对逆向部分，我们得到：（22）其中，