si 1 x ge應(yīng)變省略管hbt交直流特性仿真研究

第19卷第10 Vol.19,No.1998年10 JOURNALOFSEMICONDUCTORS Oct.,Si/Si1xGex(河學(xué)電子與信息工程 07本文了Si/Si1Ge應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)交直流特性的仿真結(jié)果.通過用疊代法求漂移擴散方程的數(shù)值解,確定器件的直流特性.再利用瞬態(tài)激勵法,求解器件的交流特性參數(shù).將基區(qū)Ge摩爾含量x為0.2、0.31的HBT的模擬結(jié)果分別與有關(guān)文獻的實驗結(jié)果進行了比較兩者的結(jié)果符合良好.EEACC:2560J;異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HB)由于基區(qū)采用禁帶寬度較窄的材料,因而這種器件具有注入效率高、基區(qū)電阻低、基區(qū)輸運時間短等許多特點,由于這些特點使得器件表現(xiàn)出優(yōu)良的交流特性直流特性及低溫特性.i/i1xex點外,還具有一些特殊的優(yōu)點,如器件的制造工藝與廣泛使用的i器件工藝兼容等.因而,這種器件的研究引起了人們的很大,研究也取得了很大進展.,Si/Si1xGexHBT的交直流特性.在交流特性的仿真中采用了瞬態(tài)激勵法.這種方法就是在直流仿真的基礎(chǔ)上,在基極加一個小的突變電壓,利用變換的原理,求出各極電導(dǎo)和電容變化的矩陣元,從而確定器件的交流特性參數(shù).這種方法具有原理簡單,編寫程序容易,計算結(jié)果比較精確的優(yōu)點.基于上述模型,Windows環(huán)境下的器件仿真程序,SiSi1xGex應(yīng)變層HBT進行仿真研究,求得了器件的交直流特性,并且把這些結(jié)果與有關(guān)文獻的結(jié)果進行了比較,比較表明兩者符合良好,這說明采用的方法是正確的合理的,因此這種方法可以應(yīng)用到其它器件的仿真中.同時Si/Si1-xGexHBT的交直流特性,第19卷第10 Vol.19,No.1998年10 Oct., (河學(xué)電子與信息工程系保 07本文了Si/Si1Ge應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)交直流特性的仿真結(jié)果.通過用疊代法求漂移擴散方程的數(shù)值解,確定器件的直流特性再利用瞬態(tài)激勵法,求解器件的交流特性參數(shù).將基區(qū)Ge摩爾含量x為0.2、0.31的HBT的模擬結(jié)果分別與有關(guān)文獻的兩者的結(jié)果符合良好.EEACC:2560J;異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT)由于基區(qū)采用禁帶寬度較窄的材料,因而這種器件具有注入效率高、基區(qū)電阻低、基區(qū)輸運時間短等許多特點,由于這些特點使得器件表現(xiàn)出優(yōu)良的交流特性、直流特性及低溫特性SiSi1xGexHBT的優(yōu)點外,還具有一些特殊的優(yōu)點,如器件的制造工藝與廣泛使用的Si器件工藝兼容等.因而,這種器件的研究引起了人們的很大,研究也取得了很大進展.,SiSi1xGexHBT的交直流特性.在交流特性的仿真中采用了瞬態(tài)激勵法.這種方法就是在直流仿真的基礎(chǔ)上,在基極加一個小的突變電壓,利用變換的原理,求出各極電導(dǎo)和電容變化的矩陣元,從而確定器件的交流特性參數(shù)這種方法具有原理簡單,編寫程序容易,計算結(jié)果比較精確的優(yōu)點.基于上述模型,開發(fā)了工作在Windows環(huán)境下的器件仿真程序,對SiSi1xGex應(yīng)變層HBT進行仿真研究,求得了器件的交直流特性,并且把這些結(jié)果與有關(guān)文獻的結(jié)果進行了比較,比較表明兩者符合良好,這說明采用的方法是正確的合理的,因此這種方法可以應(yīng)用到其它器件的仿真中同時SiSi1-xGexHBT的交直流特性,對于研究此器件的原理,估計它在性能方面的潛力也有一定價值.男,953年出生,,從事器件物理教學(xué)和科研工997075收到,9980206研究此器件的原理,估計它在性能方面的潛力也有一定價值男,953年出生,,從事器件物理教學(xué)和科研工作997075收到,9980206 19~式比較方便,用Y表示 N導(dǎo)納矩陣,因此 ～

I=Y

(其中I=(I1I2I3,…INT,V=(V1V2V3,…VNT.Y表示為實部和虛部,~Y=G+ (其中G表示 N電導(dǎo)矩陣;C表示 N電容矩陣.由于沒有規(guī)定電壓的參考點,所 YGC0.同樣,由于節(jié)點上的電流應(yīng)該連續(xù),YGC的每一列元素的和也必須為0求矩陣元的方法是,在某一端點(如第j個端點) 一小的偏置電壓Vj,而保持其余端點上的偏置不變,測量各端點上的電流Iii=123,~Yij

(下 ~n個端點的器件,t時刻,jΔVjt),iiit)vitVi0)Ii0則小信號導(dǎo)納的矩陣元為~Yij

F{ii(t)-Ii(0)F{vj(t)-Vj(0) (其中F表示對后面的函數(shù)進行變換.為了簡化計算,設(shè)電壓的擾動為階躍函數(shù),階躍幅度為ΔVj,vjtVj0)+ΔVjt)=Vj0)+ΔVjt其中t)為單位階躍函數(shù).~此Yij~Yij

F{ii(t)-Ii(0)

(~Yij

F{Ii(∞)-Ii(0)+ii(t)-Ii(∞)ΔVjF{(t)i=Ii(∞)-Ii(0)F{(t)}+jkF{i(t)-I(∞)i =Ii(∞)-Ii(0)+jkF{i(t)-I(∞) (ij Ii(∞)-Iiij

+0[i+0[i(t)-Ii(∞)

( (~Yij

Ii(∞)-Ii(k k

Yij

Ii(∞)-Ii(

Δ0

0 (0~式比較方便,YN導(dǎo)納矩陣, ～ ～～I=Y ～～~(~其中I=(I1I2I3,…INT,V=(V1V2V3,…VNT.Y表示為實部和虛部,~G+(其中GN電導(dǎo)矩陣CN電容矩陣由于沒有規(guī)定電壓的參考點,~~YGC0.同樣,由于節(jié)點上的電流應(yīng)該連續(xù),YGC的每一列元素的和也必須為0.求矩陣元的方法是,在某一端點(如第j個端點) 一小的偏置電壓Vj,而保持其余端點上的偏置不變,測量各端點上的電流Iii=1,2,3,~Yij

( ~n個端點的器件,t時刻,jΔVjtiiit)vitVi0)Ii0)則小信號~Yij

F{ii(t)-Ii(0)F{vj(t)-Vj(0) (其中F表示對后面的函數(shù)進行變換.為了簡化計算,設(shè)電壓的擾動為階躍函數(shù),階躍幅度為ΔVj,vjtVj0)+ΔVjt)=Vj0)+ΔVjt其中t)為單位階躍函數(shù).~~Yij

F{ii(t)-Ii(0)F{ΔVj(t)

(~Yij

F{Ii(∞)-Ii(0)+ii(t)-Ii(∞)i=Ii(∞)-Ii(0)F{(t)} jkF{i(t)-I(∞)iΔVjF{(t) =Ii(∞)-Ii(0) jkF{i(t)-I(∞) (~

Yij

Ii(∞)-Ii(

[i(t)-I(∞)]e-kt ( Ii(∞)-Ii(

Yij

ΔVj

[i(t)-Ii(∞)](coskt-jsinkt) Ii(∞)-Ii( Yij ΔVj0+ + ( 19情況.HBTSi1-xGex應(yīng)變層材料構(gòu)成的,Si1-xGex應(yīng)變層材料的參數(shù),Si材料參數(shù)按常規(guī)參數(shù)值選擇.311載流子遷移率由于缺少實驗數(shù)據(jù), 假定Si1-xGex應(yīng)變層的少子遷移率等于多子遷移率. 定遷移率由合金散射,聲子散射和雜質(zhì)散射確定的,這些散射彼此無關(guān),因此有1=1+1+ (A其中 為總遷移率;A為合金散射遷移率; 為聲子散射遷移率; 率.對于由合金散射決定的遷移率,一個與實驗符合的很好的唯象可表示為2800T-0.A=x(1-x (%).9700T-0.A=x(1-x (%). 2=2

*5

( 22(2kTNq3m*1

ln

-sskBTq2N1/32式中C11是平均縱向彈性常數(shù)167Eds是單位晶格膨脹帶邊的位移,其數(shù)值為-220 220

(其中vs=107cm3.1.2理論和實踐都表明在100)Si1xGex應(yīng)變層的禁帶寬度隨鍺摩爾含量x連續(xù)變化,實驗還表明與Si相比,Si1xGex應(yīng)變層禁帶寬度的差別主要是在價帶上,即ΔEc遠小于ΔEv,故假定ΔEc=0,ΔEvΔEg.理論計算得到禁帶寬度表達式為[6Eg(x)=1.12-0.74x( (有關(guān)文獻表明,x0.5時上式與實驗結(jié)果能夠很好地符合3.1.3Si1-xGex應(yīng)變層的介電常數(shù)是隨x線性變化的,x0時,其值為硅的介電常數(shù)1時鍺的介電常數(shù),X(xX(x)=11. 1時,Xx16,Ge的介電常數(shù)情況.本文討論的HBTSi1-xGex應(yīng)變層材料構(gòu)成的,Si1-xGex應(yīng)變層材料的參數(shù),Si材料參數(shù)按常規(guī)參數(shù)值選擇.3.1.1由于缺少實驗數(shù)據(jù), 假定Si1-xGex應(yīng)變層的少子遷移率等于多子遷移率. 1 1 1 (A 為總遷移率;A為合金散射遷移率; 為聲子散射遷移率; 率.對于由合金散射決定的遷移率,一個與實驗符合的很好的唯象可表示為2800T-0.A=x(1-x (9700T-0.A=x(1-x (2=2

*5 3 ( = -=ln (式中C11是平均縱向彈性常數(shù)其數(shù)值為1.67;Eds是單位晶格膨脹帶邊的位移,-(E) 2

(其中vs=107cm3.1.2理論和實踐都表明在(100)硅襯底上生長的Si1-xGex應(yīng)變層的禁帶寬度隨鍺摩爾含量x連續(xù)變化,實驗還表明與Si相比,Si1-xGex應(yīng)變層禁帶寬度的差別主要是在價帶上,即ΔEc遠小于ΔEv,故假定ΔEc=0,ΔEv=ΔEg.理論計算得到禁帶寬度表達式為[6Eg(x)=1.12-0.74x( (有關(guān)文獻表明,x0.5時上式與實驗結(jié)果能夠很好地符合3.1.3Si1-xGex應(yīng)變層的介電常數(shù)是隨x線性變化的,x0時,其值為硅的介電常數(shù)為1時鍺的介電常數(shù),(x=1時x)=16,為Ge的介電常數(shù) 19 n+ p+/S nN 018 3N 018 3N 0

0圖1a)器件的層結(jié)構(gòu)

0

圖1b)x0采用上述的模型, 設(shè)計了仿真程序.并利用此程序,根據(jù)上述的兩組參數(shù),求得了器件的直流和交流特性.41采用(a)組參數(shù),仿真了器件的直流特性 的器件的參數(shù)基本相同[8.圖2所示的是晶體管的Gummel圖,圖中分別給出 仿真的結(jié)果和由King研制的器件的測量結(jié)果.圖3所示的是晶體管共極直流特性曲線,其中(a)所示的是仿真曲線,(b)所示的是實驗曲線.從實驗曲線和模擬曲線的比較可以看出,兩者符合的比較好,說明 選取的模型是成功的.兩者之間的差異,可能是 選取的參數(shù)有些與實際器件有一定差異,例如,雖然 根據(jù)文獻選取了各區(qū)的摻雜濃度,但實際器件雜質(zhì)濃圖2Si GeHBT的Gummel

度的分布卻不是均勻分布的根據(jù)文獻8SiGe層的厚度為20nm區(qū)生長期間的雜質(zhì)向區(qū)和集電區(qū)的擴散,大約有的20多納米,選基區(qū)寬度為50nm,可能略微大些,這可能是在Gummel曲線中,模擬曲線比實際曲線的電流稍小的原因.仿真的晶體管,基區(qū)摻雜濃度是區(qū)摻濃度的70倍,由仿真得到器件的共極電流增益最大可達400以上,300左右(8]基本相同).據(jù)文獻[8對Si晶體管,在其它參數(shù)基本不變,基區(qū)摻雜濃度為51017/cm3情況下(HBT相比,14倍60HBTSiGe應(yīng)變層,基區(qū)的空穴流入?yún)^(qū)要跨過較高的勢壘,因此極電流主要是電子電流,故可以得到較高的效率,因此基區(qū)可以采用高摻雜濃度,從而降低基區(qū)電阻,改善頻率特性.從Gummel圖中可以看出,在較低的極偏壓下,就可以獲得較高的集電級電流.EBCN3N/SGe3Nn 00μ0圖1(a)圖1(b)x0 41a)組參數(shù),仿真了器件的直流特性.King的器件的參數(shù)基本相同[8.圖2所示的是晶體管的Gummel圖,圖中分別給出仿真的結(jié)果和由King研制的器件的測量結(jié)果.3所示的是晶體管共極直流特性曲線,其中(a)所示的是仿真曲線,(b)所示的是實驗曲線.從實驗曲線和模擬曲線的比較可以看出,兩者符合的比較好,說明選取的模型是成功的.兩者之間的差異,可能是選取的參數(shù)有些與實際器件有一定差異,例如,雖然根據(jù)文獻選取了各區(qū)的摻雜濃度,圖2SiSi1GeHBT的Gummel圖度的分布卻不是均勻分布的根據(jù)文獻8ie層的厚度為20nm區(qū)生長期間的雜質(zhì)向區(qū)和集電區(qū)的擴散,大約有的20多納米,選基區(qū)寬度為5n,可能略微大些,這可能是在Gummel曲線中,模擬曲線比實際曲線的電流稍小的原因.仿真的晶體管,基區(qū)摻雜濃度是區(qū)摻濃度的70倍,由仿真得到器件的共極電流增益最大可達400以上,在特性曲線的理想?yún)^(qū)域增益為300左右([8]基本相同)獻[8對i晶體管,在其它參數(shù)基本不變,基摻雜濃度為573下BT相比,1倍),.i層,基區(qū)的空穴流入?yún)^(qū)要跨過較高的勢壘,因此極電流主要是電子電流,故可以得到較高的效率,因此基區(qū)可以采用高摻雜濃度,從而降低基區(qū)電阻,改善頻率特性.從Gummel圖中可以看出,在較低的極偏壓下,就可以獲得較高的集電級電流.10 Si/Si1Ge應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)交直流特性的仿真研究

載流子的漂移擴散模型用三個方程來描述載流子的和分布.這三個方程是:(1)泊松方程2電子連續(xù)性方程3空穴連續(xù)性方程.載流子在器件中的濃度及其電場、電位分布可以通過解三個方程得到. q = (p-n+N+-N- ( 和p=-1Jp+ ( qn=1Jn+ ( qJp=qppE-qDpxJn=qnnE-qDn

((其中J為電位;E為電場強度;X0為真空介電常數(shù)X為相對介電常數(shù);pn為空穴和電AD子濃度N-N+為電離受主和電離施主濃度;JpJn為空穴和電子電流密度;p和AD為空穴和電子遷移率DpDn為空穴和電子擴散系數(shù);G為載流子產(chǎn)生率 q

1

(0)x2=

(p-n+ND-NA)0

X0X x

(在異質(zhì)結(jié)器件中,因為不同位置上的材料不同,因而禁帶寬度也隨器件的位置變化,這樣電流密度方程調(diào)整為 i

kT

kTNn nn(qE i

x

x-NkT

x (kTp pp(qE

x

x

px

Nνx (i為電子親合勢Eg為禁帶寬度NcNν分別為導(dǎo)帶和價帶的態(tài)密度對于上述的幾個方程,采用有限差分法使其離散化,即可得到在計算機上的仿真模型.根據(jù)上述的數(shù)學(xué)方程,可以確定晶體管的直流特性,在此基礎(chǔ)上可以計算出器件的交流特性,即確定器件的特征頻率和最高振蕩頻率等.采用瞬態(tài)激勵法[3求解器件的頻率特性,其原理如下:在小信號的假設(shè)下NNN矩陣,NN矩陣的 各矩陣元素可由端電壓矢量Vii=123N)Iii=123N)之間的關(guān)系確定(注:上面有波浪線的符號表示該量為復(fù)數(shù)).實際上,N N矩陣可以有多種選擇.因為模擬中通常是通過某些端點上的電壓計算各端點上的電流,所以 N矩陣元用導(dǎo)納的載流子的漂移擴散模型用三個方程來描述載流子的和分布.這三個方程是:(1)泊松方程;(2)電子連續(xù)性方程;(3)空穴連續(xù)性方程.載流子在器件中的濃度及其電場、電:2J=和

q(p-n+N+-N- ( p= 1Jp+ ( n 1Jn+ ( Jp=qppE-qDpxxJn=qnnE-qDnx

((其中J為電位;E為電場強度;X0為真空介電常數(shù)X為相對介電常數(shù);pn為空穴和電子濃度;N-A和N+D為電離受主和電離施主濃度;JJ為空穴和電子電流密度;和為空穴和電子遷移率DpDn為空穴和電子擴散系數(shù);G為載流子產(chǎn)生率 (0)x2= (p-n+ND-NA)x0

( kT kTNn nn(qE

x

x-NkT

x (kTνp pp(qE x x px- ν

(其中i為電子親合勢;Eg為禁帶寬度;NcNν分別為導(dǎo)帶和價帶的態(tài)密度.對于上述的幾個方程,采用有限差分法使其離散化,即可得到在計算機上的仿真模型.特性,即確定器件的特征頻率和最高振蕩頻率等.采用瞬態(tài)激勵法[3求解器件的頻率特性,其原理如下:在小信號的假設(shè)下NNN矩陣,NN 各矩陣元素可由端電壓矢量Vi(i=1,2,3…N)和端電流矢量Ii(i=1,2,3…N)之間的關(guān)系確定(注:上面有波浪線的符號表示該量為復(fù)數(shù)).實際上,NN矩陣可以有多種選擇.因為模擬中通常是通過某些端點上的電壓計算各端點上的電流,所以 N矩陣元用導(dǎo)納的10 Si/Si1Ge應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)交直流特性的仿真研究

Ii(∞)-Ii(0)

( 0 (0在頻率很低時,即k→0時,上述的可簡化Gij

Ii(∞)-Ii(

(Gij 1∫{[i(t)-Ii(∞) ( ~因此,模擬器件的瞬態(tài)特性就歸結(jié)為利用(17)(18)兩式,計算Y的各個矩陣元.通常為了計算器件的某些特性參數(shù),只需要計算某些特定的矩陣元,而不需要計算所有的矩陣元再把上述的方程離散化,以便編寫計算機程序17)18)兩式的離散化表示式為>N>

Ii( ΔT)-Ii(

{[i ΔT)-Ii( ΔT)]sin(knΔT)(

ΔΔVjn

{[i( ΔT)-Ii( ΔT)]con(ΔT) (其中N應(yīng)足夠大,即在第j個端點加一階躍電壓ΔVj后,經(jīng)歷N ΔT的時刻,使器件能夠達到新的穩(wěn)態(tài).(a)在所感的工作點上通過直流仿真程序求得器件的直流特性,如器件的載流子濃度分布和電位分布等;b在給定的工作點上,按選定的ΔT,ΔVj的值(HBT的仿真中,ΔVi即為疊加在原來基極極偏壓Vbe上的小的電壓,如0.01V),繼續(xù)用上述仿真程序計算,與單純的直流仿真不同的是,在此計算過程中,要保存下計算過程中各nΔT(n=1,23,…NN為足夠大的整數(shù))時刻的電流;利用步驟(b)算得的不同時刻的電流,根據(jù)離散化表達式(21)(22)計算電阻和電容等;其中g(shù)m為器件的跨導(dǎo)Cn為基極電容

fT

( [4, [4,

xHBTSiSiGe應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)是在Si上生長很薄SiGe層,此層的厚度必須小于臨界厚度,由SiGe生長層晶格常數(shù)的壓縮,界面沒有晶格失配產(chǎn)生,此層表現(xiàn)出與體材料不同的特性.SiGe生長層的厚度大于臨界厚度,生長層會積累足夠的能量,釋放應(yīng)變界面會有晶SiGeSiSiGekGij=Ii(∞)-Ii(0) ∫{[i(t)-Ii(∞)]sinkt ( ΔVjVGij=V

{[i(t)-Ii(∞)]coskt} (在頻率很低時,即k→0時,上述的可簡化Gij=Ii(∞)-Ii(

(Gij=1∫{[i(t)-Ii(∞) (ΔVj~因此,模擬器件的瞬態(tài)特性就歸結(jié)為利用17)18)兩式,Y的各個矩陣元.通常,元再把上述的方程離散化,以便編寫計算機程序17)18)N Ii( ΔT)-Ii(0) kij

ΔVjn1{[i ΔT)-Ii( ΔT)]sin(knΔT)(

ΔT)-I( (ΔVjn其中N應(yīng)足夠大,即在第jΔVj后,經(jīng)歷NΔT的時刻,使器件能夠達到新的穩(wěn)態(tài).(a)在所感的工作點上通過直流仿真程序求得器件的直流特性,如器件的載流子(b)在給定的工作點上,按選定的ΔT,ΔVj的值(HBT的仿真中,ΔVi即為疊加在原來基極極偏壓Vbe上的小的電壓,如0.01V),繼續(xù)用上述仿真程序計算,與單純的直流仿真不同的是,在此計算過程中,nΔT(n=1,2,3,N,N為足夠大的整數(shù))時刻的電流;利用步驟b)算得的不同時刻的電流,21)22)計算電阻和電容等;fT= (其中g(shù)m為器件的跨導(dǎo)Cn為基極電容SiSi1xGexHBT[4,SiSiGe應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)是在SiSiGe層,此層的厚度必須小于臨界厚度,由于SiGe生長層晶格常數(shù)的壓縮,界面沒有晶格失配產(chǎn)生,此層表現(xiàn)出與體材料不同的特性.如果SiGe生長層的厚度大于臨界厚度,生長層會積累足夠的能量,釋放應(yīng)變,界面會有晶SiGe合金材料相同這就是一般SiSiGe合金異質(zhì)結(jié)的10 Si/Si1Ge應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)交直流特性的仿真研究

3.1.4態(tài)密度在應(yīng)變層中由于簡并能級的,導(dǎo)帶態(tài)密度也要發(fā)生變化.與GaAs的情況類似,其導(dǎo)帶態(tài)密度可以表示為Nc=

-

(式中Mc1Mc2分別表示向下漂移和向上漂移的能谷數(shù),對于Si1-xGexMc1=4,Mc22兩能谷之間的能量差Ec1-Ec2=0.6x應(yīng)變對價帶的影響更復(fù)雜,有效質(zhì)量張量強烈地各向異性,但如果假定應(yīng)變產(chǎn)生的輕空穴的數(shù)量相對于未應(yīng)變的空穴數(shù)量來說是可以忽略的話,則可以認為價帶態(tài)密度與應(yīng)變無關(guān),可以取體硅的價帶態(tài)密度.3.1.5載流子和復(fù)假定載流子與摻雜濃度和Ge組分x無關(guān).對于Si材料fn=fp=1μs.對于Si1-xfn=p=0.1μs.Shockley-Read-Hall復(fù)合2Gd

ni- p

(31.6SiSiGe應(yīng)變層的禁帶寬度假定Si和SiGe應(yīng)變層禁帶寬度隨摻雜濃度的增加而變窄,變窄的量相同,lnNlnN1+2ΔEg=V1lnN

+

( 其中V=0.009eV;N=1017cm-3C=0.5 32器件結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬HBT的區(qū)和集電區(qū)是由Si構(gòu)成的,基區(qū)是由Si1-xGex應(yīng)變層構(gòu)成的,器件是一維的SiGe基區(qū)晶體管,其基區(qū)寬度Si1xGex應(yīng)變層的厚度)Si1-xGex應(yīng)變層的臨界厚度.區(qū)和集電區(qū)是N型摻雜的,基區(qū)是P型摻雜的.為了與文獻中的數(shù)據(jù)進行比較,選擇了兩組模擬參數(shù).分別如下

( 區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度分別為

/cm,

/cm和

Si1-xGex應(yīng)變層中的Ge摩爾含量x為0.31.區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的長度分別為0.(b)區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度分別為1 1018/cm3,1 1018/cm3和1 Si1-xGex應(yīng)變層中的Ge摩爾含量x為0.20.區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的長度分別為0.圖1a)b)b)組參數(shù)畫出的器件結(jié)構(gòu)圖和平衡能帶圖3.1.4在應(yīng)變層中由于簡并能級的,導(dǎo)帶態(tài)密度也要發(fā)生變化.與GaAs的情況類似,其Nc=

3

-Ec2/kT (式中M1M2分別表示向下漂移和向上漂移的能谷數(shù),對于i1xex應(yīng)變層M1=4,M2=2.兩能谷之間的能量差E1-E20.x.應(yīng)變對價帶的影響更復(fù)雜有效質(zhì)量張量強烈地各向異性,但如果假定應(yīng)變產(chǎn)生的輕空穴的數(shù)量相對于未應(yīng)變的空穴數(shù)量來說是可以忽略的話,則可以認為價帶態(tài)密度與應(yīng)變無關(guān),可以取體硅的價帶態(tài)密度.3.1.5載流子和復(fù)假定載流子與摻雜濃度和Ge組分x無關(guān).對于Si材料fn=fp=1μs.對于Si1-xfnp=0.1μs.Shockley-Read-Hall復(fù)合2Gd

ni-fp(n+n)+fn(p p

(3.1.6SiSiGeSiSiGe應(yīng)變層禁帶寬度隨摻雜濃度的增加而變窄,變窄的量相同,lnNlnN1+NΔEg=V1lnNN

(其中V1=0.009eV;N1=1017cm3C=0.5,NT是總摻雜濃度模擬HBT的區(qū)和集電區(qū)是由Si構(gòu)成的,基區(qū)是由Si1-xGex應(yīng)變層構(gòu)成的,器件是一維的SiGe基區(qū)晶體管,其基區(qū)寬度Si1xGex應(yīng)變層的厚度)Si1xGex應(yīng)變層的臨界厚度.區(qū)和集電區(qū)是N型摻雜的,基區(qū)是P型摻雜的.為了與文獻中的數(shù)據(jù)進行比較,選擇了兩組模擬參數(shù).分別如下 (a)區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度分別為 10/cm, 10/cm和 10/cm(b)區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度分別為11018/cm3,11018/cm3和11017/cm3.Si1-xGex應(yīng)變層中的Ge摩爾含量x為0.20.區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的長度分別為0.圖1(a)(b)所示的是根據(jù)(b)組參數(shù)畫出的器件結(jié)構(gòu)圖和平衡能帶圖10 Si/Si1Ge應(yīng)變層異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)交直流特性的仿真研究

圖3晶體管共極直流特性曲a)模擬結(jié)果;(b)此使用這種器件,可以降低電路的功耗42交流特性的仿真基本相同.圖4給出了共級截止頻率,隨集電極電流變化的曲線.在集電極電流很小時,fT很低,隨著集電極電流增大,fT迅速上升從物理上分析,fT主要由基區(qū)渡越時間、極延遲時間d決定的fT隨著集電極電流增大上升是由e而決定的,fe=reCTc+Ccre=kT/qI,IIc,所以feIc反比.Ic很小時re很大,fe也很大,fT很小隨Ic增大e迅速下降fT隨之上升.Ic大于是1105時,fT出現(xiàn)飽和fT的最大值少.HBT之所以有這樣高的特征頻率是因為基區(qū)采用高摻雜濃度,降低了基區(qū)電阻,從而使基區(qū)渡fb減少,提高了特征頻率fT.

圖4HBTSiSi1xGex/Si應(yīng)變層雙極晶體管進行仿真的結(jié)果.器件參數(shù)的選取參考了有關(guān)文獻,具有較高的可靠性.除了計算晶體管直流特性曲線外,還嘗試使用小信號瞬態(tài)激勵法,仿真器件的交流特性,算得的特征頻率,與有關(guān)文獻的基本相符圖 a)模擬結(jié)果;(b)此使用這種器件,可以降低電路的功耗4.2基本相同.圖4給出了共級截止頻率,隨集電極電流變化的曲線.在集電極電流很小時,fT很低,隨著集電極電流增大,fT迅速上升.從物理上分析,fT主要由基區(qū)渡越時間、極延遲時間dfc決定的,fT隨著集電極電流增大上升是由e而決定的,fe=re(CTc+Cc),re=kT/qI,IIc,所以fe近似與Ic反比.在Ic很小時,re很大,fe也很大,fT很小.隨Ic增大,e迅速下降,fT隨之上升.Ic大于是1105時,fT出現(xiàn)飽和,fT的最大值80GHz1076GHz相差很少.HBT之所以有這樣高的特征頻率是因為基區(qū)采用高摻雜濃度,降低了基區(qū)電阻,從而使基區(qū)渡fb減少,fT.

圖 i/i1-xex/Si果器件參數(shù)的選取參考了有關(guān)文獻,具有較高的可靠性除了計算晶體管直流特性曲線外還嘗試使用小信號瞬態(tài)激勵法,仿真器件的交流特性,算得的特征頻率,與有關(guān)文獻的基本相符 19 []CMSnowden,SeoconducorDevceModelng,London,UK,988,6090[2],固體電子學(xué)研究與進展,992,12(4)300[3]SevenELaux,IEEETransElecronDevces,985,32(0)2028[4]SCJanandWHayes,SecondScTechnol,99,6(7)547[5]BRANIMIRPEJCINOVICetal,IEEETransElecronDevces,989,36(0)229[6]RPeopleandJCBean,ApplPhysLe,986,48(8)538540[7]JWSlobooandHCDeGraa,SoldSaeElecron,976,19857[8]CAKngetal,IEEETransElecronDevceLe,989,36(0)2093206[9]CAKngetal,IEEEElecronDevceLe,989,10(4) [0]TTal,IEEEElecronDevceLe,989,10(4)Transistors(HBT)bySimulatingAC/DCCharacteristicsGuo(DepartmentofElectronic&InformationalEngineering,HebeiUniversity,Baoding07002)Receved5July997,revsedanuscrpreceved6February998ACandDCcharacteristicsofSi/Si1-xGexstainedlayerheterojunctionbipolartransistors(HBT)aresimulated.TheDCpropertiesofdevicesaredeterminedbyconsid-eringthedrift-diffusionequations,whilethedataofdeviceACcharacteristicsareobtainedbyusingthetransientexcitationmethod.TheresultsofsimulationinHBTofGewithmolefractionsof0.2and0.31inbaseregionagreeverywellwiththepublished