Prinzipielle Wirkungsweise

2 Aufbau und Wirkungsweise von Si/Si1-xGex Heterojunction Bipolartransistoren (HBTs)

2.1 Prinzipielle Wirkungsweise

Es gibt viele verschiedene Konzepte von HBTs, welche sich in der Reihenfolge und der Anzahl der einzelnen verwendeten Halbleiter- und Isolatorschichten unterscheiden. In der Literatur (1), (2) und (3) kann man einen Überblick über die wichtigsten Ausführungsformen finden.

Die Tatsache, daß die hier betrachteten Si/Si1-xGex Heterostruktursysteme eine Variation der Bandabstandsdifferenzen aufweisen ( ΔEg = Eg,Si - Eg,SiGe), führt zu einer unterschiedlich hohen Energiebarriere für die Elektronen und Löcher am Si/Si1-xGex Heteroübergang. Gemeinsam mit dem elektrischen Feld wirkt diese Energiebarriere auf die freien Ladungsträger im Halbleiterkristall. Damit lassen sich Verteilung und Fluß der Ladungsträger im Halbleiterkristall steuern. In einem HBT erfolgt ein Stromfluß und auch der Ladungsträgertransport senkrecht zu der jeweiligen Heterogrenzfläche. Dabei soll die Verteilung und der Fluß sowohl der Elektronen als auch der Löcher beeinflußt werden. Durch eine praktisch brauchbare Kombination von Energiegapvariationen und elektrischen Feldern besteht die Möglichkeit, innerhalb breiter Grenzen die auf die Elektronen und Löcher wirkenden Kräfte zu beeinflussen. Damit erhält man zusätzliche Freiheitsgrade beim Design der Bauelemente, was bei der Anwendung von homogenen Struktursystemen nicht gegeben ist. Dieses Prinzip wurde von Krömer (4) bereits im Jahre 1969 vorgestellt.

Verfolgt man die Logik von Krömer (5) weiter, so kann man die Effizienz der bereits vorgestellten Betrachtungen auf folgende Art und Weise demonstrieren. Ausgangspunkt für die nachfolgenden Überlegungen ist ein npn- HBT mit einem Heteroübergang zwischen Emitter und Basis, hierbei besteht das Emittermaterial aus einer wide-gap Halbleiterschicht. Der Übergang vom Emitter zur Basis erfolgt durch allmähliche Änderung der Zusammensetzung der Materialkomponenten (grading technique).

(1)Iyer et al. "Heterojunction bipolar transistors using SiGe alloys", IEEE Trans. on Elektron Devices, vol. 36, no. 10. Oct. 1989
(2)Kroemer, "Heterostructure bipolar transistors and integrated circuits", Proc.of the IEEE, vol. 70, 1, Jan. 1982,
(3)People, "Physics and application of GexSi1-x/Si strained layer heterostructures", IEEE Journal of Quantum Electronics", vol. 22, no. 9, Sept. 1986,
(4)Kroemer, "A proposed class of heterojunction injection layers", Proc. IEEE, vol. 51, pp. 1782-1783, Dec. 1969,
(5) Kroemer, "Theory of a wide gap emitter for transistors", Proc. IRE, vol. 45, no. 11, pp. 1535-1537, Nov. 1957,

Die wichtigsten Stromanteile eines npn- HBTs sind:

a) In - Elektronenstrom, der vom Emitter in die Basis injiziert wird,
b) Ip - Löcherstrom, der von der Basis in den Emitter injiziert wird,
c) Is - Rekombinationsstrom in der Emitter- Basis- Raumladungszone,
d) Ir - Verluste des injizierten Elektronenstroms In durch Rekombination in der Basis.

Der Stromanteil In ist im Wesentlichen der Strom, der als Hauptkomponenete in den Kollektorstrom eingeht. Als parasitäre Beiträge können die anderen Stromanteile verstanden werden. Man kann die Ströme in den Transistorgebieten wie folgt definieren:

Emitterstrom:

-IE = In + Ip + Is

(2.1.1)

Kollektorstrom:

IC = In + Ir

(2.1.2)

Basisstrom:

IB = Ip + Ir + Is

(2.1.3)

Damit kann man die Stromverstärkung für jeden Transistor so definieren:

Gleichung 2.1.4

BN max - maximale Stromverstärkung bei Vernachlässigung der Rekombinationsstöme

Es wird bei einem wide-gap Emitter-HBT hauptsächlich der Wert der maximalen Stromverstärkung bei Vernachlässigung der Rekombinationsstöme verbessert. Um dies zu verdeutlichen, kann man folgende Überlegung anstellen.

NE und NB seien die Dotierkonzentrationen für das Emitter- und Basisgebiet. Die Injektions-ströme in dem Emitter und der Basis lassen sich für nichtentartete Halbleitergebiete in erster Näherung wie folgt darstellen:

Gleichung 2.1.5 Gleichung 2.1.6

vnB und vpE bezeichnen die Geschwindigkeiten der Ladungsträger in dem jeweiligen Gebiet, die durch die kombinierte Wirkung von Drift und Diffusion bestimmt sind. Die Terme qVn und qVp (siehe Abb. 2) stellen die Potentialbarriere für Elektronen und Löcher am Heteroübergang dar. Bei einem wide-gap Emitter kann der Unterschied zwischen den Bandgapenergien im Emitter und der Basis durch

Gleichung 2.1.7

charakterisiert werden. Aus den Gleichungen (2.1.5), (2.1.6) und (2.1.7) folgt:

Gleichung 2.1.8

wobei der Term exp( Δ Eg / kT) einen zusätzlichen Freiheitsgrad beim Bauelementedesign darstellt, im Unterschied zu konventionellen Bipolartransistoren, bei denen Δ Eg= 0 ist.

Δ Eg und damit auch BN max lassen sich durch geeignete Wahl der Materialkomponenten an dem Heteroübergang variieren. Damit entsteht ein zweiter Freiheitsgrad im Zusammenhang mit der Optimierung des parasitären Basiswiderstandes RB, der von der Dotierkonzentration in der Basis abhängig ist. Es ist damit möglich, sehr hohe Stromverstärkungen
BN max zu erreichen, die in Kombination mit einem geringen Basiswiderstand RB die Anwendung von Heterojunction Bipolartransistoren bei sehr hohen Frequenzen interessant machen.

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