双极性晶体管电流增益的研究

高胜

摘要：在传统双极性晶体管（简称BJT）的Gummel曲线中电流增益β都只有一个波峰（简称单峰），然而现在实验室实测数据得到BJT的增益特征曲线出现了两个波峰的现象（简称双峰），针对双峰现象建立器件模型，并分别从器件的结构和基极发射极和集电极的掺杂浓度上进行分析，得到基极的掺杂浓度和掺杂位置影响器件产生双峰现象。

关键词：BJT 单峰 双峰 电流 增益

中图分类号：TN32 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）10-0044-02

1949年，BJT的诞生标志着现代电子器件的出现，在随后的几十年中对于BJT的研究取得了重大的突破，主要有NPN型，PNP型，高频三极管，低频三极管，超高频三极管，带阻三极管等等。现在随着工艺线的提高BJT的尺寸越来越小并且性能得到了大幅度的提高。三极管的主要用途，现在三极管的用途悦来越广泛，主要用于放大，整流，功放等[1]。

1 BJT的基本结构和工艺流程

器件设计时采用TCAD软件中的MEDICI进行设计，在设计中首先对器件的整理布局进行设计，本论文设计中采用的是平面结构[2]。器件的水平结构图如图1：

BJT的主要的工艺流程：衬底制备，埋层制备，生长外延层，形成隔离区，集电极制备，基区的形成，发射区的形成，金属接触，形成金属互连线，封装测试。

2 BJT的设计

2.1 发射区的设计

BJT的放大倍数受发射区和基区的浓度值的直接的影响，提高BJT的放大倍数必须提高发射区的掺杂浓度和降低基区的掺杂浓度来完成。应当适当的减少发射区的厚度，来减少BJT的发射极的寄生电阻Re。

2.2 基区的设计

在基区的设计过程中，主要是设计基区的位置和掺杂浓度。基区的掺杂浓度应当有一个合适的值，若掺杂浓度过高会降低BJT的增益影响BJT的性能。但是由于BJT的发射区与基区都是高掺杂的，则发射结的耗尽层厚度非常的薄，从而反向偏压下发射极和基级之间的隧穿漏电流就不能忽略，并且还会导致正向偏压下出现非理想的基级特性，在这种情况下可以改变基区的掺杂分布情况，提高基区掺杂浓度来解决，但是这样又会使得增益下降，只有调节一个最合适的搭配比例才能使得BJT有一个良好的性能。

2.3 集电区的设计

BJT集电区对器件的所有参数都有影响，而对集电区的设计主要集中在集电区的掺杂浓度和集电区的宽度的设计方面。在大面积BJT中，增加集电极的掺杂浓度会使最高振荡频率和特征频率都减小。较宽的低掺杂集电区会使载流子渡越空间电荷区的时间增大，从而导致特征频率下降。在本文中主要考虑的是BJT的增益，而集电区对增益的影响较小。

3 BJT增益的研究

3.1 BJT单峰现象的研究

在基级电流很小的情况下BJT的增益的表达式如下[3]：

使用器件仿真软件MEDICI进行仿真，仿真得到BJT的电流增益随着基级电压的变化图如图2：

3.2 BJT双峰现象的研究

在已经设计好的模型中不会出现双峰现象，这就要求我们对已经设计好的模型进一步的研究，分析产生双峰现象的原因。在我们不知道其是由于什么情况产生双峰现象的情况的下，我们分别从发射区，基区，集电区三个次序来研究。然而集电区主要影响的是器件的特征频率和最大频率这里就不予研究[4]。

3.2.1 对发射极进行研究

首先对发射区进行研究，在式子1中可以知道电流增益受发射的的掺杂浓度和发射区的宽度的影响，仿真时增加或者减少发射区的掺杂浓度和宽度并得到仿真图，仿真图表明发射区的掺杂浓度和宽度只影响BJT的增益的大小，与产生双峰现象无关。

3.2.2 对基级进行研究

探讨基区引起BJT产生双峰现象的研究：对基区的研究主要分为基区的位置的设计和基区掺杂浓度的设计[5]。

首先我们对基区的宽度进行分析，在增大或者减少基区宽度的情况下对BJT没有产生双峰现象，所以单一的改变基区的宽度是不会使得BJT发生双峰现象。

同理对基区的掺杂浓度进行设计，得到和基区的宽度设计一样的结果没有产生双峰现象。

再考虑基区的某一个区域的掺杂浓度发生突变。对基区发生突变的研究中我们经过大量的仿真得到，在基区中间位置某一区域的掺杂浓度突然增高会使BJT发生双峰现象，并得到仿真图如图3。

由图2和图3可以分析得到，在双峰的情况下器件的电流增益比单峰情况下的电流增益要小，这是由于器件的基区在双峰下掺杂浓度发生了突变，并且是某一部分的掺杂浓度升高引起的，这个也符合式子1中的表达式。

4 BJT产生双峰现象的原因的分析

4.1 设计失误

我们可以由上一节对双峰现象从器件设计上的失误上来分析，在设计时可以使得某一块的浓度升高，这样就造成基区的浓度不平整，就是的在表达式中电流增益的数值发生改变。

4.2 操作失误

由于扩散仪器的原因，常规的器件在经过器件的设计后，然后进行工艺仿真，最后就是流片，在流片当中由于扩散炉扩散不均匀会使得器件的某一部分的浓度过高。测试仪器的操作失误也会引起BJT产生双峰现象。我们可以采用更加先进的生产工艺线使得失误降低到最低。

5 结语

常规BJT设计中只有单峰现象，在基区的掺杂浓度发生突变的情况下会使BJT的Gummel曲线中的增益曲线出现双峰的现象，而这种现象的产生的原因与BJT器件的设计，工艺流程，测试都相关。

参考文献

[1]晶体管60年“芯”路历程[J].中国电子商情（基础电子），2008 （Z1）.

[2]章从福.IBM开发出世界最小的硅晶体管 [J].半导体信息，2003 （01）.

[3]陈星弼，张庆中.晶体管原理与设计[M].第二版.北京：电子工业出版社.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.