[發(fā)明專利]高熱穩(wěn)定性功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910093286.1
• 申請日: 2009-09-17
• 公開（公告）號: CN101656267A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發(fā)明（設計）人: 金冬月;張萬榮;謝紅云;陳亮;胡寧;肖盈;王任卿
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: H01L29/737
• 分類號: H01L29/737;H01L29/40;H01L29/417
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉 萍

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及功率雙極晶體管，特別是用于功率放大器、雷達、通訊和電子戰(zhàn)系統(tǒng)、微波振蕩器和A/D轉(zhuǎn)換器等領域的高熱穩(wěn)定性硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。

背景技術(shù)

異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)具有高的電流處理能力(高輸出功率)、優(yōu)異的高頻特性、較寬的線性和高的效率，適用于功率放大器、雷達、通訊和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，微波振蕩器和模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器等，已經(jīng)成為這些應用領域的不可缺少的器件。隨著光纖通訊、無線和衛(wèi)星通訊的發(fā)展，微波和毫米頻率的功率HBT在上述領域中扮演著越來越重要的角色。

HBT功率應用時，通常采用多發(fā)射極指結(jié)構(gòu)來改善電流處理能力和散熱能力。圖1示出了常規(guī)多發(fā)射極指結(jié)構(gòu)HBT的幾何結(jié)構(gòu)，其中包括基極(1)和發(fā)射極(2)，且相鄰的發(fā)射極指之間具有相同的間距值。然而由器件自身耗散功率引起的每個發(fā)射極指上的自加熱效應和指間的熱耦合效應將退化器件工作特性(如電流增益，功率增益，特征頻率等)，引起器件和電路特性漂移，使HBT實際性能低于它的電學限制性能。

圖2示出了常規(guī)功率HBT的熱電反饋網(wǎng)絡(20)，其中(21)為由集電極電流正溫度系數(shù)引入的熱電正反饋，I_C為集電極電流，T為器件工作溫度，V_BE’為發(fā)射結(jié)電壓，P為功耗，V_CE為集電極-發(fā)射極間電壓，T₀為環(huán)境溫度，R_th為器件熱阻。從圖中可以看出，由于熱效應的存在將引起器件某一集電極上電流的增量(ΔI_C1)，導致該器件上功耗的增量(ΔP)，進而引起溫度的增量(ΔT)，進一步地，在熱電正反饋(21)的作用下，在(V_BE’)恒定情況下，溫度增量又將導致電流增量(ΔI_C2)。如此反復，該發(fā)射極將傳導更多的電流，結(jié)溫進一步增高，甚至超過材料的本征溫度，出現(xiàn)熱奔，導致器件燒毀?？梢钥闯?，自加熱和熱耦合使HBT在高功率下晶體管變得不穩(wěn)定，嚴重限制晶體管的功率處理能力。

為削弱多指HBT的熱效應，改善其熱不穩(wěn)定性，可以采用發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻(即每指上串有鎮(zhèn)流電阻)，這些電阻上的壓降補償了由于自加熱引起溫度上升而導致的內(nèi)建電壓的變化。在考慮發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻對HBT影響的情況下，圖3示出了功率HBT熱電反饋網(wǎng)絡(30)，其中V_BE為發(fā)射極-基極間電壓，I_B為基極電流，R_E為發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻。參照圖3，由于引入發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻(R_E)，當器件集電極電流增加時，將引起發(fā)射結(jié)電壓(V_BE’)的減小，從而削弱(補償)了由集電極電流正溫度系數(shù)引入的熱電正反饋(21)。但是采用發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻方法，鎮(zhèn)流電阻需優(yōu)化，值太大，由于增加了通過它的額外延遲時間，將退化HBT高頻特性；值太小，又不足以使HBT免于熱不穩(wěn)定。另一方面，在我們先前的研究工作(2001年電子學報“Si/SiGe/Si雙異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)的負阻特性”)中發(fā)現(xiàn)，HBT在大功率下，隨集電極-發(fā)射極電壓(V_CE)的增加，集電極電流下降，出現(xiàn)負阻特性，這說明HBT本身具有熱電負反饋能力，可以減少對鎮(zhèn)流電阻的需要；此外Osamu?Hidaka等人(1995年Jpn.J.Appl.Phys.“Thermal?Runaway?Tolerance?in?Double-HBTs”)指出HBT的熱穩(wěn)定性大大優(yōu)于常規(guī)的同質(zhì)結(jié)雙極晶體管(BJT)，建議可以減少加入的鎮(zhèn)流電阻值。然而，在一般功率HBT設計中鎮(zhèn)流電阻均憑經(jīng)驗設計，且沒有考慮HBT中異質(zhì)結(jié)效應帶來的熱電負反饋的影響。同時，對于多發(fā)射極指HBT而言，各指間的熱耦合將導致器件熱分布不均勻，此時，僅僅通過設計發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻值無法有效改善器件溫度分布非均勻性。而溫度分布的非均勻性是影響功率HBT熱穩(wěn)定性和功率處理能力的主要因素之一。因此，設計一種即可補償由集電極電流正溫度系數(shù)引入的熱電正反饋(21)，也可有效改善器件溫度分布非均勻性的高熱穩(wěn)定性功率HBT具有重要的理論和實際意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的公開了一種具有高熱穩(wěn)定性的功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。

本發(fā)明的一種高熱穩(wěn)定性功率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于：同時具有均等的發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻結(jié)構(gòu)和發(fā)射極指間距由器件兩側(cè)向中心處逐漸增大的對稱指間距結(jié)構(gòu)。