不同剖面对SiGe hbt噪声性能的影响

Devanshu¹， R.K. Chauhan博士²

M.Tech。印度北方邦戈勒克布尔市MMM工程学院电子与通信工程系学生
印度北方邦戈拉克布尔MMM工程学院电子与通信工程系副教授

摘要

硅双极晶体管的一个基本限制是在直流电流增益和基极电阻之间的固有权衡。人们可以通过在基材中引入锗来克服硅双极晶体管的这种限制。在过去的几十年里，硅锗(SiGe)技术以其在噪声最小、高速性能、高截止频率、低基极发射极电容、低基极电阻、高电流密度等方面的更好的噪声性能进入了全球电子市场。由于噪声是晶体管中的一个组成部分，它会降低移动无线接收器、放大器和振荡器的性能，使它们在GHz范围内的高频工作时无法满足对它们的基本要求。在设备级别上的小噪声改进可以对整个系统性能产生很大的影响。在这篇文章中,一个精确的噪声模型的锗硅HBT 0.18μm的基准宽度被观察的行为提出了噪声参数,即最小噪声图(NFmin),基地交通时间和各种分析方程被用于分析和比较最小噪声图NFmin矩形的锗浓度的函数或箱式概要和三角概要锗硅异质结双极型晶体管的更好的性能。基于VISUAL TCAD模拟器工具，给出了仿真模型的结果。

关键字

SiGe HBT, NFmin，三角形轮廓，盒子或矩形轮廓

介绍

异质结是发生在两层不同的半导体材料(如硅和锗)之间的交叉点。与同质结材料相比，这些半导体材料的带隙不均匀。在bjt发展的所有发展和改进中，最具创新性和有益的改进是用宽带隙材料取代同质结发射极材料，这样就形成了异质结双极晶体管(HBT)，并且可以使用更高的基极掺杂浓度来保持电流增益。尽管材料成本较高，但HBTs在数字和微波应用中获得了广泛的应用，首先是因为其在最小噪声数字、高速性能、高截止频率、低基极发射极电容、低基极电阻、高电流密度和低噪声数字方面具有更好的噪声性能。

硅锗(SiGe) HBT是通过在硅发射极和硅集电极之间夹一个SiGe基而产生的。在基区添加Ge和Si，导致SiGe基层发生应变，但应变是可以容忍的，这表明该层厚度小于临界值，与Si BJT相比，带隙减小。硅双极晶体管的一个基本限制是固有的直流电流增益和基极电阻之间的权衡。这种权衡发生的主要原因是空穴被注入到发射极，电子被注入到基极，即空穴和电子负责相同高度的势垒。因此，对于给定的热激发，电子和空穴电流都施加相同的热推，并且必须通过给予发射极中比基座中移动空穴中更高的移动电子供应来优化。因此，增加电流增益，电离受体浓度在基极中降低，这反过来增加基极电阻。这种行为可以通过如图1所示的标准硅双极晶体管的能带图很好地理解。

事实证明，人们可以通过在基材中引入锗来克服硅双极晶体管的这种限制。由于Ge的带隙为0.67 eV，明显低于硅的带隙为1.11 eV。因此，通过在基体中引入少量的锗，可以大大降低合金的带隙。此外，通过将Ge含量分级为基底深度的函数，可以沿基底减小带隙，从而减少基底迁移时间。这种行为也可以通过表明与纯硅晶体管有偏差的SiGe HBT的能带图很好地理解。

在Si碱基中引入Ge会导致Ge的晶格常数比Si大，Ge的能带隙比Si小(0.66 eV Vs 1.12 eV)。该SiGe合金可用于形成SiGe HBT的基层。SiGe hbt是名义成本的熟练设备，因为它们与Si技术兼容，与iii-v技术相比广泛使用，后者提供优越的速度，但成本更高。对于高频交流操作，双极晶体管是通过两个优点来反复评估的。第一个优点被称为单位增益截止或转换频率(fT)，第二个优点被称为最大振荡频率(fmax)。噪声是存在于各种半导体材料中的重要特性之一，对半导体的性能起着重要的作用。噪声是晶体管中的一个组成部分，它会降低移动无线接收器、放大器和振荡器的性能，使其在GHz范围内的高频工作时无法满足对它们的基本要求。在设备级别上的小噪声改进可以对整个系统性能产生很大的影响。在这篇文章中,一个精确的噪声模型的锗硅HBT 0.18μm的基准宽度被观察的行为提出了噪声参数,即最小噪声图(NFmin),基地交通时间和各种分析方程被用于分析和比较最小噪声图NFmin矩形的锗浓度的函数或箱式概要和三角概要锗硅异质结双极型晶体管的更好的性能。基于VISUAL TCAD模拟器工具，给出了仿真模型的结果。

2噪声模型

Rn、τb、NFmin的解析表达式有利于对器件优化有更直观的认识。本文提出了一种确定硅锗异质结双极晶体管小信号π拓扑等效电路的简便提取方法。为了表达模型的有效性，我们首先在VISUAL TCAD软件上进行电仿真得到结果，然后将这些结果与解析方程得到的结果进行比较。

3仿真与分析

分别得到了盒型、矩形型和三角形型两种不同型型的SiGe HBT的噪声图和基透射时间。所有的计算都是通过Visual TCAD模拟器工具得到的仿真结果来完成的。矩形型形时，基底中Ge含量不变，三角形型形时;从发射极结到集电极结，锗含量呈线性变化。

A. Ge剖面对噪声系数的影响

为了有更好的参考来比较模型，我们在器件中加入了噪声测量。如图4所示为SiGe HBT矩形或盒形截面的最小噪声系数NFmin随Ge浓度的变化情况，可以看出，随着Ge浓度的增加，SiGe HBT的NFmin也随之增加。

该结果与NFmin的解析表达式相吻合，NFmin随Ge浓度的增加而单调增加。这些计算是基于室温在300k。图4是在VISUAL TCAD软件上对Ge浓度为20%时噪声系数约为0.325 dB的SiGe HBT矩形截面的仿真模型分析。

图5为SiGe HBT三角形剖面的最小噪声系数NFmin随Ge浓度的变化情况，可以看出，随着Ge浓度的增加，SiGe HBT的NFmin增加。这些计算也是基于300 K的室温。图5是在VISUAL TCAD软件上对20% Ge浓度下噪声系数为0.27 dB(约)的仿真模型的分析。

B. Ge剖面对基迁移时间的影响

从图6可以看出，无论是盒型还是三角型，随着Ge浓度的增加，SiGe HBT的基迁移时间都在减小。同时，三角型谱线在Ge浓度为20%时，SiGe HBT的基迁移时间约为0.20 ps，而盒型谱线在Ge浓度为20%时，基迁移时间约为0.28 ps。

四。结论

在这项工作中，我们重点研究了器件的噪声特性，并对SiGe hbt的矩形轮廓和三角形轮廓两种轮廓进行了噪声分析，该轮廓是在VISUAL TCAD软件上实现的，并通过全面的方法进行了分析。分析和比较了这些剖面的最小噪声系数，发现三角形剖面在20% Ge浓度下的最小噪声系数在0.27 dB左右，优于矩形和盒子型剖面在20% Ge浓度下的最小噪声系数在0.325 dB左右。此外，还对SiGe型HBTs中盒型和三角型的基移时间进行了仿真计算，发现三角型的基移时间比盒型的基移时间好。因此，与矩形轮廓相比，三角形轮廓在噪声系数和基传输时间方面是最优的。因此，我们可以很容易地说，这些仿真工具可以用于SiGe异质结双极晶体管的噪声优化。

确认

作者在此感谢B. S. Rai教授、Vimal Mishra和Anand Pandey先生的帮助与合作。

参考文献

Michael Schroter, Hung Tran, Wolfgang Kraus，“SiGe LEC hbt的锗型材设计选项”，Elsevier关于固态电子学48(2004)1133-1146。
林建勋，苏延坤，“几何结构对SiGe HBTs噪声特性的影响”，电子工程学报，vol.52,no.9,2004
Ankit kashyap和R.K.Chauhan，“Ge型设计对n-p-n SiGe hbt模拟电路性能的影响”，微电子学杂志，MEJ: 2554,2008。
牛国富，“SiGe HBT射频技术中的噪声:物理、建模及电路意义”，电子工程学报，vol. 39 .no.9,2005。
冯军，“基于T和Z参数表征的微波SiGe HBTs小信号模型参数提取”，半导体学报，vol.30, no.8.pp.1-4,2009。
Jarle Andre Johansen，“硅锗电阻和器件的低频噪声表征”，特罗姆瑟大学论文。没有- 9037 Tromso.Norway。
陈晓明，“基于SiGe的THz器件参数优化”，电子工程学报，vol.2, no.4.pp.343-355,2010。