Si/SiGe異質結晶體管的參數(shù)提取與特性模擬

1 引言

　　普通硅材料由于物理性質的制約，在制造高頻大功率方面有很大困難，而Si/SiGe材料在這方面具有很大優(yōu)勢。Si/SiGe材料由于它們的晶格常數(shù)很接近，在硅襯底上外延生長的Si1-xGex合金材料帶隙隨鍺組分增加而變窄。如果采用窄帶Si1-xGex作為晶體管基區(qū)，利用硅作為集電極和發(fā)射極就可以構成雙異質結晶體管（HBT）。利用Si/SiGe HBT基區(qū)Si1-xGex帶隙窄，且價帶上移變窄的特性，基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散比電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)遇到更高的勢壘，使得異質結比同質結的電子、空穴注入比大很多，因而大大提高了晶體管的電流增益。即可以通過改變Si1-xGex基區(qū)鍺組分調節(jié)電流增益，而不再受到基區(qū)摻雜的影響。這樣在功率晶體管的設計中，就可以適當提高基區(qū)摻雜，以減少基區(qū)電阻，克服大注入下的基區(qū)電導調制效應，從而在保持較高工作頻率的前提下提高功率晶體管的輸出功率。因此SiGe HBT在微波通信與信息系統(tǒng)中得到廣泛應用。

　　在用這種晶體管設計具體電路時，經常借助PSPICE或MATLAB軟件包進行模擬仿真，而在仿真時需要提供HBT的典型模型參數(shù)才行。本文對研制的Si/SiGe 異質結晶體管[1]的參數(shù)進行了參數(shù)測量與提取，并用PSPICE和MATLAB技術對該管的交直流特性進行了模擬仿真和分析。

　　2 直流參數(shù)提取

　　現(xiàn)在流行的PSPICE軟件中使用的晶體管模型大多是EM2或GP模型，筆者按照這一模型的要求對我們研制的HBT的主要直流參數(shù)進行了實驗提取[2]。

　　（1）正反向電流增益BF和BR，正反向厄利電壓VAF和VAR：在管子的正常工作電壓與偏壓下，測得結果為BF=25，BR=1.9e-2，VAF=55V，VAR=38.3V。

　　（2）發(fā)射極串聯(lián)電阻RE：C極開路時，直接測量BE結的I-V特性曲線，得到導通時的曲線斜率即為RE。測量時曲線有大電流和小電流兩種情況，大電流RE=7.39W，小電流RE=18.6W。

　　（3）集電極電阻RC：它是模擬晶體管有效集電區(qū)和集電極端子之間的電阻，近似作為常量處理，測量管子的正常I-V特性曲線，取其中進入工作區(qū)之前的部分，得到斜率的倒數(shù)即為RC，其值為27.3W。

　　（4）基極電阻RB：由于不具備諧振法測量手段，因此根據(jù)管子的實際版圖尺寸計算得出RB約為200Ω。

　　（5）飽和電流ISM：令BC短路，測量IC-VBE曲線，做出指數(shù)坐標曲線，在中大電流上曲線的反向延長線外推至VBE=0，得到了飽和電流ISM=2.46e-14A，由于沒有條件測量真正的IC電流，本測量過程中測量的是IC+IB，因此對所測量的數(shù)據(jù)進行處理才能得到真正的IC電流，IC=ISM（BF/（BF+1））=2.446e-14A。

　　（6）飽和漏電流ISE、ISC和發(fā)射系數(shù)NF：ISE是在集電極開路時測量IBE-VBE，做出指數(shù)坐標曲線，在中大電流上曲線的反向延長線外推至VBE=0，得到了飽和漏電流ISE=3.67e-14A；ISC是在發(fā)射極開路時測量IBC-VBC，做出指數(shù)坐標曲線，在中大電流上曲線的反向延長線外推至VBC=0，得到了飽和漏電流ISC=4.25e-12A；NF是測量IC-VBE指數(shù)坐標曲線，大電流的斜率為q/（NF·K·T），求出NF=1.265。

　　（7）膝點電流IKF和IKR：IKF是令BC短路時測量IC-VBE指數(shù)坐標曲線，中電流與大電流的延長線交點即為IKF=6.824mA，將C極與E極交換可測得IKR=2.212mA。

　　用以上實驗方法提取的參數(shù)在PSPICE軟件平臺上模擬出小注入情況下直流輸出特性曲線如圖1（a）所示，實測直流輸出特性曲線如圖1（b）所示。由圖可知，小注入電流增益接近穩(wěn)定值，厄利電壓較高說明器件飽和特性較好，當IC電流為1.5mA時，室溫下BF=25，這樣就保證器件具有良好的放大特性，能夠滿足射頻放大電路的需要，模擬和實測結果基本吻合。

　　3 高頻參數(shù)提取

　　在分析晶體管的高頻特性時，管子的內基區(qū)電阻隨IC增加而降低，外基區(qū)電阻幾乎不隨電流變化，這與直流基極電阻是不同的，射極電阻RE也隨外加電壓VA的變化產生變化。本實驗中VA=1V時測得RE=12.5W，在工作點IC=20mA，VCE=3V時估算得RB=200W；在共射極電路中晶體管內基極電流在內外基區(qū)的流動實際上主要沿平行于集電結的方向,因此應該用具有分布參數(shù)的RC網絡模擬其特性，但這不便于計算，一般選取包含有限數(shù)量集總參數(shù)的晶體管高頻小信號混合π模型，由于是在未進行管殼封裝的管子上實驗，因此忽略電極引線電感和管殼寄生電容的影響，圖中畫出的引線電感是為了分析的需要而按照經驗值設定的。影響器件高頻性能的主要參數(shù)是發(fā)射結電容CJE和集電結電容CJC，另外也跟RE和RB有關，后兩個參數(shù)隨偏置工作點的變化而變化，本文選取工作點VCE=3V，IC=20mA。

　　3.1 模型參數(shù)的測量與計算

　　（1）CJC，CJE，VJC，VJE，MJC，MJE：這是幾個主要的高頻參數(shù)，測量時，利用HP4280A 1MHz C-METER/C-V PLOTER 高頻C-V測量儀測量高頻結電容，分別測量封裝后的管子BE與BC結電極的正反向電容CM，并對沒有管芯的空管殼的雜散電容CK進行測量，用以對測量后的結果進行補償；由以下公式得到VJX和MJX。CM=CJ0/（1－V/VJX）MJX+CK式中VJX代表BC結內建電勢或BE結內建電勢VJE；MJX代表集電極電容漸變系數(shù)MJC或發(fā)射極電容漸變系數(shù)MJE；CJ0代表零偏結電容CJE或CJC，計算時先代入零偏值得到CJ0，然后用方程聯(lián)立方式和優(yōu)化技術得到它們的值[2]。測量和計算的結果分別為：CJC=2.4455e-12F，CJE=1.43875e-12F，MJE=0.257，MJC=0.346，VJE=0.6V，VJC=0.58V。

　　(2)，ＣＭ，Ｃπ，gm：IB=IC / BF，VT=K·T/q，rπ= VT / IB，ro =VAF/ IC ，gm＝BF/ rπ；因為正常工作時晶體管的基極-集電極電壓為負，基極-集電極電容僅由結電容來確定，ＣＭ=CJC(1－VBC/VJC)∧(－MJC)，Ｃπ＝IS·TF/VT·exp(VBE/VT)＋CJE·0.5(－MJE)·(1－MJE＋2MJE·VBE/VJE)，等式右邊第一項代表勢壘電容，第二項代表結電容。式中TF由測量得到的fT值推算得出，其值為69.23ps；K為玻爾茲曼常數(shù)； q為電子的電量；T為室溫300K。

　　3.2 模擬結果與分析

　　由于HBT的高頻特性是隨著工作點的變化而變化的，模型中有些參數(shù)難以用實驗的方法測定，而是根據(jù)原理公式結合管子的實際版圖尺寸估算出某個工作點下的參數(shù)值。當工作點變化時，用PSPICE軟件包模擬起來不便于修改參數(shù)，也不便于顯示S參數(shù)變化規(guī)律，因此我們選用MATLAB技術，根據(jù)上述測量計算得到的參數(shù)結果，在MATLAB平臺上模擬出管子的一些頻率特性。其中輸入/輸出阻抗特性曲線如圖2所示，圖上虛線代表考慮串聯(lián)電阻時管子的阻抗特性，實線代表忽略串聯(lián)電阻時的阻抗特性。由圖2（a）看到，基極串聯(lián)電阻導致輸入阻抗增大，而輸出阻抗情況則不同，如圖2（b）所示，這時基極電阻不起作用，輸出電阻ro起主要作用，若計及管殼電容Cbc，則Cbc與RB構成反饋也影響輸出阻抗。

　　對于射頻[3]微波器件，終端開路和短路的測量條件不容易實現(xiàn)，且易造成待測器件的損壞，因此常用散射參量來描述其高頻特性。由Z參數(shù)容易計算出S參數(shù)，管子的輸入反射系數(shù)S11和增益S21分別表示在Smith圓圖和極坐標系中，如圖3所示，圖中順時針方向表示頻率增加的方向。從圖3（a）看出（左右兩段弧分別對應管芯和整個管子的情況），輸入反射系數(shù)的模值越大，則輸入阻抗模值也越大，只不過用S11描述時，更容易看出相位的變化情況。計及串聯(lián)電阻時，輸入阻抗的實部增大，S11沿等實圓半徑減小的方向移動即右移，隨著頻率的增加，虛部的絕對值變小，S11沿等虛圓半徑增大的方向移動即左移，這是BE結電容起作用的結果，這與圖2（a）的結論是相吻合的。由圖3（b）看出，發(fā)射極電阻的引入（對應圖中內層小弧線）導致在整個頻率范圍內（1MHz～6GHz）的增益顯著下降；另外，為了觀察管子的特征頻率fT，我們將S21參數(shù)轉化為H21參數(shù)，模擬結果如圖4所示（上下曲線分別對應管芯和整個管子的情況）,由圖看出，在IC=20mA，VCE=3V時fT >2GHz，這與圖5的測量結果[1]也是相吻合的。

　　4 結束語

　　SiGe HBT 具有高速高頻和大功率的特點，因而在功率放大和低噪聲放大及濾波等射頻微波通信系統(tǒng)中有著廣泛應用，本文通過實驗測量和理論計算相結合的方法提取出我室研制的SiGe HBT的管芯的SPICE參數(shù)，在PSPICE和MATLAB平臺上分別模擬出其直流與交流特性，獲得了滿意的效果，說明本文采用的方法是可行的，得到的參數(shù)結果是客觀有效的，為下一步設計微波通信系列集成電路奠定了基礎。