GaAs/ InP
改进了渡越时间方程的
InP DHBT
模型
葛
,
金
,
程
,
苏永波
,
刘新宇
霁
智
伟
(
中½科学院 微电子研究所
,
北京
100029)
摘要
:
建立了一个改进了渡越时间方程的
InP DHB T
大信号模型
。从
H BT
电荷方程出发
,
首先
给出了
InP DH BT
的耗½电荷方程
,
接着分析了
InP DHBT
集电极复合结构对½½流子速度的½
响
,
测试了集电极复合结构的
InP DH BT
的渡越时间
,
提出了一个简单准确的渡越时间方程
,
进而得到了扩散电荷方程
。最后 ,
建立了一个基于改进的电荷方程的新的
InP DHB T
大信号模
型
。新的模型的直流 ,
S
参数在很½的偏½范围下均与实际测试结果拟合完½
,
准确地预测了器
件的特性
。
关键词
:
磷化铟
DH BT
;
大信号模型
;
基于测试的渡越时间方程
中图分类号
:T
N402
文献标识码
: 文章编号 :
A
1003-
353X
(
2008)增刊 0012-
-
03
InP DHBT Model with Improved Transit Time Formulation
Ge Ji
,
Jin Z hi
,
Cheng Wei
,
Su y ong bo
,
Liu Xinyu
(Institute
o f Microelectronics
,
Chinese Academy of Sciences
,
Bei jing
100029
,
China)
Abstract
:A
n InP double heterojuncti on bipolar t ransi st or
(
BT
)
large-signal model w as
DH
developed
.T
he volt age-dependent deple tion charge w as obt ained analyt ically
,
and the vo ltage-
dependent carrier velocity in t he composi te co llect or of InP DH BT w as i nvestig ated and a mea-
surement based on vol tage-dependent t ransit time f ormulatio n w as implem ent ed
.As
a result
,
over a w ide range of biases
,
t he mo del show s g ood agreement be tw een t he mo deled and measured
S-parameter
s
.T
he model demo nst rates accurat e predict ion of the DC output charact eri sti cs
.
Key words:InP
DHBT
;large-signal
m odel
;a
measurem ent based t ransi t time fo rmulatio n
EEACC:2570A
½度很½
,
½为集电极可以提高器件的击穿电压
,
另一方面由于 ½½流 子在
InGaAs
中的 饱和速 度较
大
,
InP DH BT
基极采用
InGaA s
材料
,
为了不½
BC
结出现½带尖峰从而降½器件的高频性½
,
一
般要在
InGaAs
和
InP
间加入过渡的
InGaAs
层
[
4]
。
复合的集电极结构½得
InP DH BT
的集电极渡越
时间方程变得十分复杂
,
而渡越时间方程的准确与
否是模型½否准确模拟高频和大信号特性的关键
。
因此
,
有研究者对其展开了研究
[
5]
,
然而得到的渡
越时间方程十分复杂
,
含有大量需提取的参数
,
也
不适用于文中自行设计的集电极结构
。
因此
,
本文 分析 了
InP DH BT
的 电 荷方 程
,
给出了一个基于测试的渡越时间方程的
InP DH BT
0
引 言
准确的器件模型在现代高速高性½的微波毫米
波集成电路设计中是必不可少的
。
InP DHBT
击穿
电压较高
,
截止频率和最高振荡频率均可以达到几
百个吉赫兹
,
在毫米波功放和高速数模混合电路中
的有 着 广 泛 的 应 用
[
1
-2]
。
传 统 的 模 型
(
GP
,
如
VBIC
[
3]
)基
于
Si
工 艺开 发
,
并 不适 用于
InP
基
DH BT
,
因此
,
迫 切需要 一种针 对
InP
基
DH BT
的器件模型
。
为了同时拥有高的击穿电压和工½频率
,
InP
DH BT
采用复合集电极层
,
一般至少有
InGaA s
和
InP
两种不同材料
,
这是因为
,
一方面
InP
的禁带
12
半导½技术第
33
卷增刊
2008年 12月
葛 霁 等 :改进了渡越时间方程的
lnP DH BT
模型
大信号模型
。经与测试的直流与
S
参数特性比较
,
模型很½地拟合了
InP DH BT
的特性
。
渡越时间
τ
和集电区耗½层渡越时间
τ
两部分之和。
B
C
τ
表示½½流子通过基 区的时间
,
一般与½½流
B
子迁移率
、
基 区 自 建场
、
基 区 ½度 有 关
[
7]
。
InP
DHBT
基区高掺杂
、
集电 区½掺杂
,
一般不发生
厄利效应
。
在电流不太大的情况下
(
小于
K rik
电
流) 可认为基区渡越时 间不随外加偏½ 而变化
,
,
可以直接与电流相乘得到扩散电荷
[
5]
。
则
tB
=τ
I
c
Q
B
(
3)
τ
表示½½流子被电场扫过集电区耗½层的时间
,
C
与耗½层 ½度 和½½ 流子 的速 度有关
[
7]
。由
于
InP
DHBT
集电区较薄
,
且掺杂较½
,
在正常工½ 下
,
一般完全耗½
。所以 , τ
主要由½½流子的速度决定
。
C
与
Si
材料相比
,
InP
、
InGaAs
材 料中½½流子
速度变化更为复杂
,
其先随外加电场增大到峰值
,
随后又缓 慢减小
,
直 到饱和
。
这 是因为
InP
、
In-
GaA s
½带为多½谷结构
,
不同½谷的有效质量不
同
[
7]
1
模型建立
图
1
为
InP DHBT
模型的拓 扑图
。
其中 虚线
框内的部分表示器件的本征 部分
。
I
cc
表示集 电极
电流
,
I
be
、
I
bc
分别代表基
-射间和基 -集间电流 ,
I
gc
表示碰撞电流
。
Q
be
Q
bc
diff
dep
、
Q
bci
dep
、
Q
bcx
dep
分别表
diff
示基
-
射结 与内
、
外基
-集结耗½电荷 ,
Q
be
分别表示基
-射结与基 -集结扩散电荷 。
、
。½外加电场变化时 ,
½½流子在不同½谷中散
射
,
½量高的½谷中½½流子的有效质量大
,
½½流子
的迁移率小
,
导致½½流子速度随外加电场增大反而
减小
。另外 ,
对于
InP DH BT
,
其集电极含有两种
图
1
InP
DH BT
模型拓扑图
Fig
. Topology
of the InP D HBT m odel
1
以上不同的材料
,
½½流子速度在不同材料中随电场
变化的规律也不同
,
其 与集电极层的 结构密切相
关
。因此 ,
准确地计算½½流子速度变得极为复杂
。
为了准确地模拟器件的渡越时间
,
又不引入过
于复杂的方程
,
本文采用测试的方法来确定器件的
渡越时间
。
在电流不太大
(
小于
Kirk
电流) 时
,
认为渡
越时间不随电流而变化
[
7]
,
则
1
η
T
k
f
=
τ
-
(
je
+C
jc
) (
E
+
C
)
jc
C
-
R R C
2πf
t
qI
c
f0
f(
计算
τ =τ
1/
I
c
※0)
,
得到
直流包括自热效应部分采用
VBIC
中的相关方
程
[
3]
,
准确地模拟了器件的特性
。
H BT
的电荷分为
BE
结耗½电荷
、
BC
结耗½
[
6]
电荷
、
扩散电荷
,
其可以写为
Q
=Q
be
dep
+Q
bc
dep
+Q
diff
=
contou r
∫
C
be
(
be
)
be
+
V
dV
(
1)
C
be
(
bc
,
I
c
)
b c
+τ
V
bc
,
I
c
)
c
V
dV
(
dI
(
4)
式
(
1)中
的前两项 为耗½电 荷项
,
通过
BE
结
,
BC
结耗½ 电容对电压积分 来实现
。
BE
结电 容基
于耗½层假设
[
7]
,
采用分段方程表示为
f0
=
1
-
R
E
+R
C
)
jc
τ
(
C
2πf
t
BC
结电容
,
可从直流
、
S
参数中提取
。
拟合测试数据
,
得到渡越时间方程
V
ce
f0
τ =
p(
n
)
0
tex
+t
(
5)
C
je0
V
be
<
e
P
e
F
V
be
M
e
(- )
1
p
e
C
be
=
C
je0
V
be
1
+M
e
( +M )
1
-F
c
( +M
e
)
1
e
( -
c
)
1
F
P
e
be
>F
e
P
e
V
BC
结可采用相同的方法表示
。
式
(
1)中的最后一项为扩散电荷项
,
通过渡越
时间对电流积分来得到
。模型中的渡越时间特指基区
(
2)
式中
:R
E
、
R
C
、
C
jc
分别为发射 极
、
集电极电阻和
(
6)
式中
:t 、
n
、
t
0
为拟合参数
,
由拟合得到
。
图
2
为渡越时间随
C E
电压变化的曲线
。电场
较小时
,
复合集电极结构中不同材料中的½½流子速
度随电场变化阶段不同
,
½得平均速度基本不变
。
13
December
2008
Semiconductor Technology Vol
.
Supplement
33
葛 霁 等 :改进了渡越时间方程的
lnP DH BT
模型
½电场继续增大时
,
由于½½流子由较½½谷跃迁到
较高½谷
,
不同材料中的½½流子速度均随电场而减
小
,
½得渡越时间不断增大
。
可见
,
模型与测试拟
合完½
。
则扩散电荷为
Q
tC
=
f0
(
ce
)
I
c
τ
V
(
7)
(
b)为
V
ce
= .
V
,
I
c
=
mA
下的
S
参数
;(
3 5
10
c)
为
V
ce
=2
V
,
I
c
=
mA
下的
S
参数
;
16
圆点为测试
值
,
实线为模型结果
。
图
2
渡越时间随
V
ce
的变化
(
实线
:模型 ,
圆点
:测试)
Fig
. V
ol tage dependence of t he t ransi t t ime:compari son
2
bet w een m odel an d measurem en t
2
模型验证与讨论
所用器件是由中科院微电子所微波集成电路研
究室 工艺线 设计﹑ 流片 实现的
InP/ InGaA s DH-
BT
,
采用了
BCB
钝化平坦化工艺
[
8]
图
4
0 . ½
15
.
G H z
不同偏½下
S
参数测试与模型比较
1
1
Fig.
Measured
and modeled
S
4
-paramet
ers from
0
.
t o
15.
G Hz
1
1
at vary biases
。
图
3
为输入
I
b
( ½
180
μ ,
步进
20
μ ,
20
A)
A
I
c
随
V
ce
( ½
3
.
V)
变化图
。图中实线为模型仿
0
5
真结果
,
圆点为测试结果
,
箭头所指方向为
I
b
增
大方向
。
可以看到
,
器件并未出现明显的自热效应
和雪崩效应
,
在很½范围的集电极电压下
,
模型与
测试结果拟和完½
。
可以看到
,
在很½的偏½范围内
,
S
参数在整
个频段内均拟合完½
,
在其他不同偏½点下也均拟
合完½
,
在此未一一 列出
。
另外
,
由于针 间的耦
合
,
测试的
S
12
的高频段出现了抖动
,
造成了与模
型的不一致
,
希望在后续的工½中进一步改进
。由
图可见
,
改进 的渡越 时间方程 准确地 拟合 了
InP
DHBT
复合集电 极渡越 时间 随外 加偏 ½的变 化
,
½得模型在一个很½的电压范围内均可以很½地模
拟器件特性
,
从而进行电路设计
。
3
结 论
本文得到了一种 改进了渡越时间方程的新的
InP DHBT
模型
。
基于测试的渡越时间方程
,
准确
图
3
I
c
-V
ce
曲线
Fig
. Curves
of
I
c
-V
ce
3
地拟合了集电极复合结构 的
InP DH BT
渡越时间
随外加偏½的变化
。
模型的直流与
S
参数特性均
在很½的范围内与测试结果拟合完½
。模型简单准
确
,
可以直接用于
ADS
等½件中进行电路设计
。
(
下½第
27
页)
图
4
为不同偏½下器件
S
参数的模型 与测试
值
。(
a)为
V
ce
=1 .
V
,
I
c
=
m A
下的
S
参数
;
5
10
14
半导½技术第
33
卷增刊
2008年 12月
许坤远 等 :基于
Ratchet
效应的平面 纳米二极管
纳米二极管
— —RRD 。采
用二维系综 蒙特卡½ 方
—
法详细研究了
RRD
的稳态特性和高频特性
。
模拟
表明
RRD
具有如下性质
:在负偏压下表现出很强
的非线性响应特性
;在合适的结构参数下具有零开
启电压
;有
很 快的 响 应 速 度
,
½ 够 用 于 探 测 亚
T H z
波段的电磁波
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