JPH0618210B2 - Heterojunction bipolar transistor - Google Patents
Heterojunction bipolar transistorInfo
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- JPH0618210B2 JPH0618210B2 JP2340417A JP34041790A JPH0618210B2 JP H0618210 B2 JPH0618210 B2 JP H0618210B2 JP 2340417 A JP2340417 A JP 2340417A JP 34041790 A JP34041790 A JP 34041790A JP H0618210 B2 JPH0618210 B2 JP H0618210B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、エミッタ・ベース接合にヘテロ接合を用いた
バイポーラトランジスタに関する。TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a bipolar transistor using a heterojunction as an emitter-base junction.
従来のバイポーラトランジスタは、エミッタ、ベースお
よびコレクタの各層に同一半導体材料を用いたnpn 又は
pnp 構造となっている。この場合、エミッタ接合、コレ
クタ接合共にホモ接合である。Conventional bipolar transistors use npn or the same semiconductor material for the emitter, base and collector layers.
It has a pnp structure. In this case, both the emitter junction and the collector junction are homojunctions.
最近、エミッタ接合、コレクタ接合の一方又は両方をヘ
テロ接合としたバイポーラトランジスタが注目され、研
究開発の対象となりつつある。ヘテロ接合バイポーラト
ランジスタのひとつの利点は、エミッタ層をベース層よ
りバンドギャップの広い半導体材料で構成することによ
り、エミッタ注入効率を高めることができることにあ
る。エミッタ層とベース層のバンドギャップの差によ
り、エミッタ接合に順方向バイアスしたときにエミッタ
からベースへのキャリア注入が容易におこるのに対し、
ベースからエミッタへのキャリア注入が抑制されるから
である。従って通常のホモ接合バイポーラトランジスタ
に比べて高い電流利得を得ることができる。Recently, a bipolar transistor in which one or both of an emitter junction and a collector junction is a heterojunction has attracted attention and is becoming an object of research and development. One of the advantages of the heterojunction bipolar transistor is that the emitter injection efficiency can be increased by forming the emitter layer from a semiconductor material having a wider bandgap than the base layer. Due to the difference in band gap between the emitter layer and the base layer, carrier injection from the emitter to the base easily occurs when the emitter junction is forward biased.
This is because carrier injection from the base to the emitter is suppressed. Therefore, a higher current gain can be obtained as compared with a normal homojunction bipolar transistor.
このようなヘテロ接合バイポーラトランジスタは、その
基本概念は古くから知られており、最近においてもいく
つかの発表例がある。エミッタ接合にヘテロ接合を用い
た場合の従来の基本構造を示すと第1図の如くである。
図はGaAs-GaAlAs系を用いた例で、n+型GaAs基板1を
用い、この上にn型GaAsコレクタ層2、p型GaAsベース
層3、n型Ga1-xAlxAsエミッタ層4を順次積層した構造
となっている。5はコレクタ電極、6はベース電極、7
はエミッタ電極である。エミッタ層4は、エミッタ電極
7側を高不純物濃度(n+)の第一エミッタ層41によ
り構成し、ベース層3側をこれより低不純物濃度
(n−)の第二エミッタ層42により構成している。従
来発表されている多くのものは、第二エミッタ層42に
十分な厚みを持たせている点で共通している。このよう
に、エミッタ層を高不純物濃度層と低不純物濃度の二層
構造とし、かつ低不純物濃度の第二エミッタ層の厚みを
十分大きくする理由は、エミッタ接合容量CJEを小さく
してスイッチング速度の向上を図るためであるとされて
いる(例えば、H.Kroemer,“Heterostrructure Bipola
r Transistors and Itegrated Circuits”,Proc.IEEE、
Vol. 70, No.1, pp. 13-25, January1982)。事実、不
純物濃度が接合面を境として大幅に異なる片側階段接合
において、低不純物濃度層の厚みが十分大きい場合、そ
の接合容量CJEが低不純物濃度層の不純物濃度NEを用
いて CJE∝NE 1/2 と表わされることは周知のとおりである。The basic concept of such a heterojunction bipolar transistor has been known for a long time, and some publications have been made recently. The conventional basic structure when a heterojunction is used for the emitter junction is shown in FIG.
The figure shows an example using a GaAs-GaAlAs system, in which an n + type GaAs substrate 1 is used, on which an n type GaAs collector layer 2, a p type GaAs base layer 3, and an n type Ga 1-x Al x As emitter layer 4 are formed. It has a structure in which layers are sequentially laminated. 5 is a collector electrode, 6 is a base electrode, 7
Is an emitter electrode. Emitter layer 4, the emitter electrode 7 side constituted by the first emitter layer 4 1 of high impurity concentration (n +), a low impurity concentration than that of the base layer 3 side - by the second emitter layer 4 2 (n) I am configuring. Many of those that are conventionally presented, are common in that they to have a sufficient thickness to the second emitter layer 4 2. As described above, the reason why the emitter layer has a two-layer structure of a high impurity concentration layer and a low impurity concentration and the thickness of the second impurity layer of a low impurity concentration is sufficiently large is that the emitter junction capacitance C JE is reduced and the switching speed is reduced. It is said that this is for the purpose of improving the (for example, H. Kroemer, “Heterostrructure Bipola
r Transistors and Itegrated Circuits ”, Proc.IEEE,
Vol. 70, No.1, pp. 13-25, January 1982). In fact, in substantially different one step junction as a boundary joining surface impurity concentration, when the thickness of the low impurity concentration layer is sufficiently large, C JE alpha the junction capacitance C JE by using the impurity concentration N E of the low impurity concentration layer It is well known that it is expressed as N E 1/2 .
ここで以下の議論を明確にするため、トランジスタのス
イッチング速度という概念を明確にしておく。一般にト
ランジスタのスイッチング動作にはターンオンとターン
オフとがあり、ターンオン時間tonとターンオフ時間t
off を平均した伝播遅延時間tpdをスイッチング速度の
基準とする。ターンオン時間tonは出力電流が0%から
50%まで立上る時間、ターンオフ時間toff は出力電
流が100%から50%まで降下する時間とする。以上
の関係を第2図に示す。Here, in order to clarify the following discussion, the concept of transistor switching speed is clarified. Generally, the switching operation of a transistor includes turn-on and turn-off, and a turn-on time t on and a turn-off time t
The propagation delay time t pd obtained by averaging off is used as a reference for the switching speed. The turn-on time t on is the time for the output current to rise from 0% to 50%, and the turn-off time t off is the time for the output current to drop from 100% to 50%. The above relationship is shown in FIG.
本発明者らはこの程、第1図に示すようなヘテロ接合バ
イポーラトランジスタについて、各層の厚み、不純物濃
度とスイッチング速度の関係を数値解析モデルにより詳
細に検討した(例えば、倉田、「バイポーラトランジス
タの動作理論」昭和55年近代科学社、M.Kurata,“Nu
merical Analysis for Semiconductor Devices”,198
2, Lexington Books D.C.Heath and Company.等)。そ
の結果、従来説とは相反する結論が得られた。即ち数値
解析モデルによれば、従来例のように低不純物濃度の厚
い第二エミッタ層をもつトランジスタ(以下タイプAと
呼ぶ)のスイッチング速度は、このような第二エミッタ
層をもたずエミッタが高不純物濃度層一層のみからなる
トランジスタ(以下タイプBと呼ぶ)のそれに比べて大
幅に劣っている。その解析結果を第1表に示す。The present inventors have recently examined in detail the relationship between the thickness of each layer, the impurity concentration and the switching speed of a heterojunction bipolar transistor as shown in FIG. 1 by a numerical analysis model (for example, Kurata, “Bipolar Transistor "Theory of Operation", 1980 Modern Science Company, M. Kurata, "Nu
merical Analysis for Semiconductor Devices ”, 198
2, Lexington Books DCHeath and Company. As a result, a conclusion contradictory to the conventional theory was obtained. That is, according to the numerical analysis model, the switching speed of a transistor (hereinafter referred to as type A) having a thick second emitter layer with a low impurity concentration as in the conventional example is such that the emitter does not have such a second emitter layer. It is significantly inferior to that of a transistor having only one high impurity concentration layer (hereinafter referred to as type B). The analysis results are shown in Table 1.
この数値解析に与えた条件は、第3図の回路において、
コレクタ電源EC=2〔V〕、負荷抵抗RL=200
〔Ω〕、トランジスタQをオフにする入力信号電圧V
off =0.5〔V〕、オンにする入力信号電圧Vonは表
に示す値である。またタイプAでは、第二エミッタ層が
不純物濃度NE=3×1016cm-3、その厚みω=1μm
である。第1表のJE,JCはそれぞれエミッタ、コレ
クタの電流密度である。 The conditions given to this numerical analysis are as follows in the circuit of FIG.
Collector power supply E C = 2 [V], load resistance R L = 200
[Ω], input signal voltage V for turning off the transistor Q
off = 0.5 [V], the input signal voltage V on to be turned on is the value shown in the table. In the type A, the second emitter layer has an impurity concentration N E = 3 × 10 16 cm −3 and a thickness ω = 1 μm.
Is. J E and J C in Table 1 are the current densities of the emitter and collector, respectively.
このように従来の常識と相反する結果となった理由は次
のとおりである。一般にバイポーラトランジスタを高速
でスイッチング動作させるには、エミッタ、コレクタ各
電流密度を103〜104A/cm2ないしこれ以上の値
に設定する必要がある。このことはバイポーラ論理集積
回路の実例や数値解析モデルを用いた解析結果から明ら
かである。タイプAのように低不純物濃度の厚い第二エ
ミッタ層をもつ場合、タイプBに比べてエミッタからベ
ースへのキャリア供給能力が低いため、所定のエミッタ
およびコレクタ電流密度を得るためには、エミッタ・ベ
ース間接合に深い順方向バイアス電圧を印加しなければ
ならない。このような動作条件では、上記の厚い第二エ
ミッタ層およびコレクタ層に過剰キャリアが蓄積され、
ターンオフ時間が増大して伝播遅延時間が増大する結果
となるのである。The reason why the result is contrary to the conventional wisdom is as follows. Generally, in order to perform a high-speed switching operation of a bipolar transistor, it is necessary to set the current density of each of the emitter and collector to 10 3 to 10 4 A / cm 2 or more. This is clear from an example of a bipolar logic integrated circuit and the result of analysis using a numerical analysis model. In the case of having a thick second emitter layer with a low impurity concentration as in type A, the carrier supply capacity from the emitter to the base is lower than in type B, so in order to obtain a predetermined emitter and collector current density, the emitter. A deep forward bias voltage must be applied to the base-to-base junction. Under these operating conditions, excess carriers accumulate in the thick second emitter and collector layers,
This results in an increase in turn-off time and an increase in propagation delay time.
以上の結果を要約すれば、エミッタ接合容量CJEはタイ
プAの方がタイプBより小さいにも拘らず、スイッチン
グ速度はタイプBの方が優れているということである。
これは、トランジスタのスイッチング速度を決める要因
として、エミッタ接合容量CJEだけでなく、全エミッタ
容量CE=CJE+CDEを考慮しなけれならないことを意
味する。CDEは過剰キャリア蓄積量によって決まるエミ
ッタ拡散容量として知られているものである。そして従
来のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、低不純物
濃度の厚い第二エミッタ層を設けているためにCDEがC
JEに比べてはるかに大きく、CJEを小さくしたことによ
るスイッチング速度への影響がCDEのそれにかくれて全
く観測されないのである。To summarize the above results, although the type A of the emitter junction capacitance C JE is smaller than the type B, the switching speed of the type B is superior.
This means that not only the emitter junction capacitance C JE but also the total emitter capacitance C E = C JE + C DE must be taken into consideration as a factor that determines the switching speed of the transistor. C DE is known as an emitter diffusion capacitance determined by the excess carrier accumulation amount. In the conventional heterojunction bipolar transistor, since the thick second emitter layer with a low impurity concentration is provided, C DE is C
It is much larger than that of JE , and the effect on the switching speed due to the reduction of C JE is not observed at all due to that of C DE .
以上により、スイッチング速度の点ではタイプAよりも
タイプBを採用した方が有利であることが明らかとなっ
た。ところが、タイプBは高不純物濃度のエミッタ層が
直接ベース層と接合を形成しているため、エミッタ接合
の降服電圧が非常に低いという難点がある。通常のpn
接合での降服の主要因はアバランシェ現象であるが、ア
ドランシェ現象を回避できたとしてもトンネル効果によ
る降服がある。特にヘテロ接合の場合、トンネル効果に
基づく電流はキャリアのバンド間直接遷移により決まる
成分に加えて、ヘテロ接合界面に多数存在する界面準位
により支配される成分が多い。このため実際のトンネル
電流は単純な理論値よりはるかに大きくなることが珍ら
しくなく、エミッタ接合耐圧が非常に小さいものとなっ
てしまう。From the above, it has been clarified that the type B is more advantageous than the type A in terms of switching speed. However, type B has a drawback that the breakdown voltage of the emitter junction is extremely low because the emitter layer having a high impurity concentration directly forms a junction with the base layer. Normal pn
The avalanche phenomenon is the main cause of the breakdown at the junction, but even if the adranche phenomenon can be avoided, there is a breakdown due to the tunnel effect. In particular, in the case of a heterojunction, the current based on the tunnel effect has many components governed by a large number of interface states existing at the heterojunction interface in addition to the components determined by the direct band-to-band transition of carriers. For this reason, it is not unusual for the actual tunnel current to become much larger than the simple theoretical value, and the emitter junction breakdown voltage becomes extremely small.
本発明は以上の考察に基づいてなされたもので、スイッ
チング速度と耐圧に関して最適設計基準を与えたヘテロ
接合バイポーラトランジスタを提供することを目的とす
る。The present invention has been made based on the above consideration, and it is an object of the present invention to provide a heterojunction bipolar transistor which provides optimum design criteria with respect to switching speed and breakdown voltage.
本発明に係るトランジスタは、エミッタ層をベース層よ
りバンドギャップの広い半導体材料により構成すること
および、エミッタ層を高不純物濃度の第一エミッタ層と
低不純物濃度の第二エミッタ層とから構成することを基
本とする。この点で本発明に係るトランジスタは前述の
タイプAに属する。本発明はこのような基本構造に加え
て、ベース層を、エミッタ側にある低不純物濃度の第一
ベース層とコレクタ側にある第一ベース層より高不純物
濃度の第二ベース層とから構成する。そして、第二エミ
ッタ層の不純物濃度NEとその厚みWEおよび第一ベー
ス層の不純物濃度NBとその厚みWBの関係を印加電圧
ゼロの状態でのエミッタ・ベース接合部の最大電界が許
容電界を越えない範囲で、スイッチング速度を十分高速
にする条件として、 を満たすように設定したことを特徴とする。上記(1)式
において、qは電子電荷絶対値(−1.6×10-19 ク
ーロン)、ε0は真空の誘電率(=8.86×10-14
ファラッド/cm)、εSE,εSBはそれぞれ第二エミッタ
層、第一ベース層の比誘電率、Vbiは第二エミッタ層と
第一ベース層が形成するヘテロ接合のビルトインポテン
シャルである。In the transistor according to the present invention, the emitter layer is composed of a semiconductor material having a wider bandgap than the base layer, and the emitter layer is composed of a first emitter layer having a high impurity concentration and a second emitter layer having a low impurity concentration. It is based on. In this respect, the transistor according to the present invention belongs to the above-mentioned type A. In addition to such a basic structure, the present invention comprises a base layer composed of a first base layer having a low impurity concentration on the emitter side and a second base layer having a higher impurity concentration than the first base layer on the collector side. . Then, the relation between the impurity concentration N E of the second emitter layer and its thickness W E and the impurity concentration N B of the first base layer and its thickness W B is expressed by the maximum electric field of the emitter-base junction in the state of no applied voltage. As a condition to make the switching speed sufficiently high within the range where the allowable electric field is not exceeded, It is characterized in that it is set to satisfy. In the above formula (1), q is the absolute value of electronic charge (−1.6 × 10 −19 Coulomb), ε 0 is the dielectric constant of vacuum (= 8.86 × 10 −14).
Farad / cm), ε SE and ε SB are the relative permittivities of the second emitter layer and the first base layer, respectively, and V bi is the built-in potential of the heterojunction formed by the second emitter layer and the first base layer.
このような設計基準を与えた理由を次に説明する。エミ
ッタ・ベース間のヘテロ接合に印加される電圧がゼロの
とき接合両端に生ずる内部電位差はVbiである。この電
位差によりヘテロ接合部に生じる電界分布は第4図のよ
うになる。第4図(a)は第二エミッタ層の厚みWEおよ
び第一ベース層の厚みWBが十分大の場合、同図(b)は
第二エミッタ層の厚みWEと第一ベース層の厚みWBが
それぞれ内部電位差により伸びる空乏層の厚みWE,depと
WB,depに等しい場合、同図(c)はWE,WBがそれぞれ
WE,dep,WB,depより小さい場合である。第4図(a),
(b)の場合、周知の理論により下記式(2)〜(4)が成立す
る。The reason for giving such a design standard will be described below. The internal potential difference generated across the junction when the voltage applied to the heterojunction between the emitter and the base is zero is V bi . The electric field distribution generated at the heterojunction portion due to this potential difference is as shown in FIG. FIG. 4 (a) shows that when the thickness W E of the second emitter layer and the thickness W B of the first base layer are sufficiently large, FIG. 4 (b) shows the thickness W E of the second emitter layer and the thickness of the first base layer. When the thickness W B is equal to the thickness W E, dep and W B, dep of the depletion layer extending due to the internal potential difference, respectively, in the figure (c), W E and W B are smaller than W E, dep , W B and dep , respectively. This is the case. Figure 4 (a),
In the case of (b), the following equations (2) to (4) are established according to a well-known theory.
(2),(3)式から を消去すると、 となる。同様にして第4図(c)の場合は下記式(6)〜(8)
が成立する。 From equations (2) and (3) Is erased, Becomes Similarly, in the case of FIG. 4 (c), the following equations (6) to (8)
Is established.
これら3式からEmax を求めれば、 となる。ただし上記において、空乏層内の電界最大値を
Emax 、第二エミッタ層内の電界最小値をEmin,E、第一
ベース層内の電界最小値をEmin,Bとしている。 If E max is calculated from these three equations, Becomes However, in the above description, the maximum value of the electric field in the depletion layer is E max , the minimum value of the electric field in the second emitter layer is E min, E , and the minimum value of the electric field in the first base layer is E min, B.
以上の関係を踏まえて、第二エミッタ層の不純物濃度N
Eと厚みWEおよび第一ベース層の不純物濃度NBと厚
みWBを、(9)式に示す最大電界が許容最大電界を越え
ない範囲で(1)式の関係を満たすように設定することに
より、耐圧を確保しながら十分高速のスイッチング速度
を実現したものである。Based on the above relationship, the impurity concentration N of the second emitter layer
E and the thickness W E, and the impurity concentration N B and the thickness W B of the first base layer are set so as to satisfy the relationship of the expression (1) within a range in which the maximum electric field shown in the expression (9) does not exceed the allowable maximum electric field. As a result, a sufficiently high switching speed is realized while ensuring the breakdown voltage.
なお、第二エミッタ層と第一ベース層の間のヘテロ接合
のビルトインポテンシャルVbiは下記式(10)で表わされ
る。The built-in potential V bi of the heterojunction between the second emitter layer and the first base layer is represented by the following formula (10).
ただし、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、ni(T)は
ベース層の真性電子密度、XBは第一ベース層の電子親
和力、XEは第二エミッタ層の電子親和力である。(10)
式において、右辺第一項は通常のホモ接合におけるのと
同一であり、第二項がヘテロ接合に個有の項である。 Here, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, n i (T) is the intrinsic electron density of the base layer, X B is the electron affinity of the first base layer, X E is the electron affinity of the second emitter layer. (Ten)
In the formula, the first term on the right-hand side is the same as that in the normal homozygote, and the second term is the term unique to the heterozygote.
具体的に、第二エミッタ層としてn型Ga0.7Al0.3As、第
一ベース層としてp型GaAsを選んだ場合の代表的な不純
物濃度の組合せについてVbiの数値列を示すと下表のと
おりである。Specifically, the numerical sequence of V bi is shown below for typical combinations of impurity concentrations when n-type Ga 0.7 Al 0.3 As is selected as the second emitter layer and p-type GaAs is selected as the first base layer. Is.
〔発明の効果〕 本発明によれば、 を必要最小限の値に設定することによって、エミッタ・
ベース間耐圧を確保しながら高速スイッチング動作が可
能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを実現すること
ができる。 According to the present invention, By setting the
A heterojunction bipolar transistor capable of high-speed switching operation while ensuring a breakdown voltage between bases can be realized.
以下本発明の実施例を説明する。GaAlAs−GaAs系を用い
た一実施例の構造を第5図に示す。これを製造工程に従
って説明すれば、まず高不純物濃度のn+型GaAs基板1
1を出発基板とし、この上に不純物として例えばSiをド
ープした低不純物濃度のn型GaAsコレクタ層12をエピ
タキシャル成長させる。これはコレクタ・ベース間接合
をホモ接合とする場合であり、この接合にもヘテロ接合
を導入する場合にはn型Ga1-xAlxAs層をエピタキシャル
成長させればよい。いずれの場合もエピタキシャル成長
にはMBE 法又はMOCVD 法を用いることが好ましい。以下
の工程でも同じである。この後、コレクタ層12上に不
純物として例えばBeをドープした比較的高不純物濃度の
p型GaAsからなる第二ベース層132、続いて低不純物
濃度のp−型GaAsからなる第一ベース層131をエピタ
キシャル成長させる。全ベース層13の厚みは高速スイ
ッチング動作を実現するため1000Åないしそれ以下
とすることが好ましい。この後ベース層13上に、低不
純物濃度のn−型Ga1-xAlxAsからなる第二エミッタ層1
42、続いて高不純物濃度のn+型Ga1-xAlxAsからなる第
一エミッタ層141をエピタキシャル成長させる。いず
れも不純物は例えばSiとする。このとき第二エミッタ
層142の濃度と厚みおよび第一ベース層131の濃度
と厚みの関係を(1),(2)式を満たすように設定する。最
後にエッチングによりエミッタ中心部を残して周辺部を
除去し、第二ベース層132の表面を露出させて、コレ
クタ、ベース、エミッタの各電極15,16,17を形
成して完成する。Examples of the present invention will be described below. The structure of one embodiment using the GaAlAs-GaAs system is shown in FIG. This will be described according to the manufacturing process. First, the n + type GaAs substrate 1 having a high impurity concentration
1 is used as a starting substrate, and a low impurity concentration n-type GaAs collector layer 12 doped with, for example, Si as an impurity is epitaxially grown thereon. This is a case where the collector-base junction is a homojunction, and when introducing a heterojunction into this junction as well, the n-type Ga 1-x Al x As layer may be epitaxially grown. In either case, it is preferable to use the MBE method or MOCVD method for the epitaxial growth. The same applies to the following steps. Thereafter, the second base layer 13 2 made of p-type GaAs having a relatively high impurity concentration doped with e.g. Be as an impurity on the collector layer 12, followed by a low impurity concentration p - first base layer 13 made of -type GaAs 1 is epitaxially grown. The thickness of all base layers 13 is preferably 1000 Å or less in order to realize high-speed switching operation. Thereafter, the second emitter layer 1 made of n − -type Ga 1 -x Al x As with a low impurity concentration is formed on the base layer 13.
4 2 , and then the first emitter layer 14 1 made of n + type Ga 1-x Al x As having a high impurity concentration is epitaxially grown. In both cases, the impurity is S i , for example. The relationship between the time the second emitter layer 14 2 concentrations and thicknesses and the first base layer 13 1 of the concentration and the thickness (1) is set so as to satisfy the equation (2). Finally, the peripheral portion is removed leaving the emitter center by etching, to expose the second base layer 13 and second surface, the collector, base, completed by forming the electrodes 15, 16 and 17 of the emitter.
より具体的な数値例を挙げて説明する。第一エミッタ層
141としてバンドギャップエネルギ1.80eVのGa
0.7Al0.3As層を用い、そのドナー不純物濃度をNEO=1
020cm-3とし、第二エミッタ層142は同じ材料でドナ
ー濃度をNE=1017cm-3、厚みをWE=500Åとす
る。一方、第一ベース層131としてアクセプタ濃度N
B=3×1016cm-3、厚みWB=500Åのバンドギャ
ップエネルギが1.42eVである、GaAsを用いる。第二
ベース層132は同じ材料でアクセプタ濃度NBO=10
18cm-3とする。このとき、常温T=300゜Kでのビル
トインポテンシャルVbiは、(10)式においてXE=3.
77eV、XB=4.07eV、ni(T)=1.101×1
07cm-3として、Vbi=1.46Vとなる。A more specific numerical example is given and demonstrated. Ga bandgap energy 1.80eV as a first emitter layer 14 1
0.7 Al 0.3 As layer is used and the donor impurity concentration is N EO = 1
0 20 and cm -3, and the second emitter layer 14 2 to the donor concentration N E = 10 17 cm -3 in the same material, the thickness and W E = 500 Å. On the other hand, the acceptor concentration N as the first base layer 13 1
GaAs having a band gap energy of 1.42 eV with B = 3 × 10 16 cm -3 and a thickness W B = 500 Å is used. The second base layer 13 acceptor concentration N BO = 10 2 is the same material
18 cm -3 . At this time, the built-in potential V bi at room temperature T = 300 ° K is X E = 3.
77 eV, X B = 4.07 eV, n i (T) = 1.101 × 1
As 0 7 cm -3, the V bi = 1.46V.
そこでエミッタ・ベース間の印加電圧がゼロのとき、も
し仮に、低濃度第二エミッタ層および低濃度第一ベース
層が十分に厚い場合に広がるべき空乏層の厚みWE,dep
およびWB,depと最大電界 を(2)〜(4)式より求めると、WE,dep=651Å、WB,dep
=2332Å、 を得る。ただし、εSE=12.0,εSB=12.9を用
いている。ところがいまの場合、WE=WB=500Å
であるからこれを用いて(1)式の両辺を計算すると左辺
=2.66×105(1/cm)、右辺=1.62×10
5(1/cm)であり、(1)式を満足する。このとき最大電界
Emax は(9)式から、Emax =1.70×105V/cm
となる。不純物濃度NE=3×1016cm-3に対して接合
降服を生じることなく許容し得る最大電界値は約5.1
×105V/cmであるから(例えば、S.M.Sze, “Physi
cs of Semiconductor Devices", 1969, Wiley-Intersci
ence参照)、上記Emax はこれより低く、上記設計例を
現実に採用することができる。参考のため、Emax が許
容最大電界になるような印加電圧を求めると、その値は
約3.3Vとなり、実用上十分な耐圧が確保される。Therefore, when the applied voltage between the emitter and the base is zero, and if the low-concentration second emitter layer and the low-concentration first base layer are sufficiently thick, the depletion layer thickness W E, dep
And W B, dep and maximum electric field Is calculated from Eqs. (2) to (4), W E, dep = 651Å, W B, dep
= 2332Å, To get However, ε SE = 12.0 and ε SB = 12.9 are used. However, in the present case, W E = W B = 500Å
Therefore, using this to calculate both sides of Eq. (1), the left side = 2.66 × 10 5 (1 / cm), the right side = 1.62 × 10
5 (1 / cm), which satisfies the equation (1). At this time, the maximum electric field E max is E max = 1.70 × 10 5 V / cm from the equation (9).
Becomes For the impurity concentration N E = 3 × 10 16 cm −3 , the maximum electric field value that can be tolerated without causing junction breakdown is about 5.1.
Since it is × 10 5 V / cm (eg SMSze, “Physi
cs of Semiconductor Devices ", 1969, Wiley-Intersci
ence), the above E max is lower than this, and the above design example can be actually adopted. For reference, when the applied voltage such that E max becomes the maximum allowable electric field is obtained, the value is about 3.3 V, and a practically sufficient breakdown voltage is secured.
次に別の設計例として、上記と同じ材料を用い、NEO=
1020cm-3、NE=1017cm-3、NBO=1018cm-3、N
B=1017cm-3、WE=WB=500Åとした場合を挙
げる。このとき、Vbi=1.49V、WE,dep=977
Å、WB,dep=1050Å、 を得る。このとき(1)式の両辺は、左辺=4.20×1
05(1/cm)、右辺=1.65×106(1/cm)で
あり、やはり(1)式を満たす。またEmax =2.49×
105V/cmであるが、1017cm-3の不純物濃度に対応
する許容最大電界は約6.4×105V/cmであり、E
max がこの許容値となる印加電圧は約4.5Vであるか
ら、この設計例も現実に採用し得る。Next, as another design example, using the same material as above, N EO =
10 20 cm -3 , NE = 10 17 cm -3 , N BO = 10 18 cm -3 , N
The case where B = 10 17 cm −3 and W E = W B = 500 Å is taken as an example. At this time, V bi = 1.49 V, W E, dep = 977
Å, W B, dep = 1050Å, To get At this time, both sides of the equation (1) are left sides = 4.20 x 1
0 5 (1 / cm) and the right side = 1.65 × 10 6 (1 / cm), which also satisfies the expression (1). Also, E max = 2.49 ×
Although it is 10 5 V / cm, the maximum allowable electric field corresponding to the impurity concentration of 10 17 cm -3 is about 6.4 × 10 5 V / cm, and E
Since the applied voltage at which max is this allowable value is about 4.5 V, this design example can also be actually adopted.
以上の二つの設計例を適用したときの数値解析モデルに
より求めたスイッチング特性を第3表に示す。回路条件
は第1表の場合と同じである。Table 3 shows the switching characteristics obtained by the numerical analysis model when the above two design examples are applied. The circuit conditions are the same as in Table 1.
これらの結果を先の第1表と比較すれば明らかなよう
に、スイッチング速度は、タイプBに比べて若干劣るが
タイプAよりはるかに優れたものとなっている。しかも
タイプBではエミッタ・ベース間耐圧の確保が困難であ
るのに対し、本実施例では実用上十分な耐圧確保が容易
である。 As is clear from the comparison of these results with Table 1 above, the switching speed is slightly inferior to the type B but far superior to the type A. Moreover, in the type B, it is difficult to secure the breakdown voltage between the emitter and the base, whereas in this embodiment, it is easy to secure the breakdown voltage practically sufficient.
なお本発明は上記実施例に限られるものではない。例え
ば半導体材料の組合せとして、広バンドギャップのエミ
ッタ層にGaP 、狭バンドギャップのベース層にSiを用い
てもよいし、また広バンドギャップのエミッタ層にGaA
s、狭バンドギャップのベース層にGeを用いることもで
きる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as a combination of semiconductor materials, GaP may be used for the wide bandgap emitter layer, Si for the narrow bandgap base layer, and GaA for the wide bandgap emitter layer.
It is also possible to use Ge for the base layer having a narrow bandgap.
【図面の簡単な説明】 第1図は従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの一
例を示す図、第2図はトランジスタのスイッチング特性
を説明するための図、第3図は同じくスイッチング特性
を求めるための回路図、第4図(a)〜(c)は本発明の特徴
を説明するための不純物濃度分布と電界分布を示す図、
第5図は本発明の一実施例のヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタを示す図である。 11……n+型GaAs基板、12……n型GaAsコレクタ
層、131……p−型GaAs第一ベース層、132……p
型GaAs第二ベース層、141……n+型Ga1-xAlxAs第一
エミッタ層、142……n−型Ga1-xAlxAs第二エミッタ
層、15〜17……電極。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an example of a conventional heterojunction bipolar transistor, FIG. 2 is a diagram for explaining switching characteristics of a transistor, and FIG. 3 is a circuit for similarly obtaining switching characteristics. FIGS. 4 (a) to 4 (c) are diagrams showing an impurity concentration distribution and an electric field distribution for explaining the features of the present invention,
FIG. 5 is a diagram showing a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention. 11 ...... n + -type GaAs substrate, 12 ...... n-type GaAs collector layer, 13 1 ...... p - -type GaAs first base layer, 13 2 ...... p
-Type GaAs second base layer, 14 1 ... n + -type Ga 1-x Al x As first emitter layer, 14 2 ... n - type Ga 1-x Al x As second emitter layer, 15-17 ... electrode.
Claims (2)
の広い半導体材料により、電極側にある高不純物濃度の
第一エミッタ層とベース側にある低不純物濃度の第二エ
ミッタ層とから構成されたヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタにおいて、前記ベース層がエミッタ層側にある低
不純物濃度の第一ベース層とコレクタ層側にある高不純
物濃度の第二ベース層とから構成され、かつ第二エミッ
タ層の不純物濃度NEと厚みWEおよび第一ベース層の
不純物濃度NBと厚みWBの関係を、印加電圧ゼロの状
態でのエミッタ・ベース接合部の最大電界 が許容最大電界を越えない範囲で、 を満たすように設定したことを特徴とするヘテロ接合バ
イポーラトランジスタ。 ただし上式において、 q:電子電荷絶対値 ε0:真空の誘電率 εSE:第二エミッタ層の比誘電率 εSB:第一ベース層の比誘電率 Vbi:第二エミッタ層と第一ベース層が形成するヘテロ
接合のビルトインポテンシャル1. A heterostructure comprising an emitter layer made of a semiconductor material having a wider bandgap than that of a base layer, and a first emitter layer having a high impurity concentration on the electrode side and a second emitter layer having a low impurity concentration on the base side. In the junction bipolar transistor, the base layer is composed of a low impurity concentration first base layer on the emitter layer side and a high impurity concentration second base layer on the collector layer side, and an impurity concentration N of the second emitter layer. E and thickness W E, and the relationship between the impurity concentration N B of the first base layer and the thickness W B, are defined as the maximum electric field of the emitter-base junction in the state where the applied voltage is zero. Within the maximum allowable electric field, A heterojunction bipolar transistor characterized by being set so as to satisfy. However, in the above formula, q: absolute value of electronic charge ε 0 : dielectric constant of vacuum ε SE : relative permittivity of second emitter layer ε SB : relative permittivity of first base layer V bi : second emitter layer and first Built-in potential of heterojunction formed by base layer
s、コレクタ層がGaAs又はGaAlAsである特許請求の範囲
第1項記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。2. The emitter layer is Ga 1-x Al x As and the base layer is GaA.
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein the collector layer is GaAs or GaAlAs.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2340417A JPH0618210B2 (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Heterojunction bipolar transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2340417A JPH0618210B2 (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Heterojunction bipolar transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH03192727A JPH03192727A (en) | 1991-08-22 |
| JPH0618210B2 true JPH0618210B2 (en) | 1994-03-09 |
Family
ID=18336753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2340417A Expired - Lifetime JPH0618210B2 (en) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | Heterojunction bipolar transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0618210B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2692721B1 (en) * | 1992-06-17 | 1995-06-30 | France Telecom | METHOD FOR PRODUCING A BIPOLAR HETEROJUNCTION TRANSISTOR AND TRANSISTOR OBTAINED. |
| TW512529B (en) | 2000-06-14 | 2002-12-01 | Infineon Technologies Ag | Silicon bipolar transistor, circuit arrangement and method for producing a silicon bipolar transistor |
| JP4818985B2 (en) * | 2003-06-30 | 2011-11-16 | パナソニック株式会社 | Heterojunction bipolar transistor |
-
1990
- 1990-11-30 JP JP2340417A patent/JPH0618210B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03192727A (en) | 1991-08-22 |
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