異質結雙極性電晶體(HBT)

異質結雙極性電晶體（heterojunctionbipolartransistor，縮寫：HBT）是雙極性電晶體的一種，它的發射區和基區使用了不同的半導體材料。這樣，發射結（即發射區和基區之間的PN接面）就形成了一個異質結。異質結雙極性電晶體比一般的雙極性電晶體具有更好的高頻訊號特性和基區發射效率，可以在高達數百GHz的訊號下工作。它在現代的高速電路、射頻系統和行動電話中應用廣泛。對異質結雙極型電晶體的研究始於上世紀五十年代。

半導體的異質結是一種特殊的PN接面，由兩層以上不同的半導體材料薄膜依次沉積在同一基座上形成，這些材料具有不同的能帶隙，它們可以是砷化鎵之類的化合物，也可以是矽-鍺之類的半導體合金。半導體異質結構的二極體特性非常接近理想二極體。另外，透過調節半導體各材料層的厚度和能帶隙，可以改變二極體電流與電壓的響應引數。半導體異質結構對半導體技術具有重大影響，是微波電晶體和光電子器件的關鍵成分。

下圖是一款HBT放大器：

1.異質結雙極電晶體的基本原理

1951年肖特基就提出了異質結電晶體的概念，它是利用寬能帶隙的半導體材料作為雙極電晶體的發射極，由於發射區材料和基區材料的能級差，其注入比不再由發射區和基區的濃度比所決定，而主要由材料的能帶差決定。這樣在設計電晶體時可以不考慮注入效率引起的各種限制，使電晶體的設計具有更大的靈活性。目前有砷化鎵異質結雙極電晶體(GaAsHBT)，銦磷異質結雙極電晶體(InPHBT），鍺矽異質結雙極電晶體(SiGe HBT)。

AIGaAs/GaAs異質結雙極電晶體結構如下圖所示：

傳統雙極電晶體採用同質半導體材料的不同摻雜構成，其材料的能級相同，存在同時提高特徵頻率和電流放大係數的矛盾。然而異質結雙極電晶體的物理機理可以能夠較圓滿地解決此矛盾：異質結的發射極採用輕摻雜、寬頻隙的AlGaAs材料，基極採用重摻雜較窄帶隙的GaAs材料，而集電極則採用GaAs或較寬頻隙材料。這種異質結結構和特殊的工藝，大大減小了普通雙極電晶體存在的渡越時間效應，從而提高了HBT的工作頻率上限，降低了HBT的l/f噪聲。

2.異質結雙極電晶體的主要效能引數

1) 異質結雙極電晶體的直流放大係數

分析表明：HBT的直流放大係數與其物理引數之間的關係為

式中，第一個因子(Ne/Pb，)表示發射區和基區雜質濃度之比；第二個因子（Snb/Spe)代表發射極勢壘區的基區端電子平均速度與發射區空穴平均速度之比；第三個因子是指數因子，其中qSn和qSp分別為從電子能量看的發射結勢壘高度和從空穴能量看的發射結勢壘高度。對於同質結電晶體q(Sp-Sn)=O，要提高電流放大係數就必須提高（Ne/Pb），提高雜質濃度又導致特徵頻率fT下降，故普通電晶體存在提高放大倍數與fT的矛盾。而異質結雙極電晶體電流放大倍數因為q(Sp-Sn)不為0，且是指數關係,比如異質結（Ga0.7Al0.3As/GaAs)，q(Sp-Sn)≈0.37eV, exp(0.37eV/(kT))≈10^6，此時即使Ne/Pb=1/100,電流放大係數仍可達到l0^6。因此，在HBT的設計中可以大幅度提高基區的摻雜HBT,降低基區電阻，也可以降低發射區摻雜濃度從而降低發射極電容，因此HBT可以同時提高電流放大倍數和特徵頻率fT。

2) HBT特徵頻率和最高振盪頻率

下圖是HBT的共發射極基本等效電路，其特徵頻率為

最高振盪頻率為

從形式看HBT與BJT的特徵頻率fT和最高振盪頻率fmax的公式是一樣的，但由於異質結和同質結物理機制上存在本質的差異，致使發射極時間常數

，基區渡越時間

和基極電阻RB等引數顯著不同。

綜上所述，HBT最大的優點是獲得高電流增益的同時獲得高特徵頻率和振盪頻率，這是同質結電晶體不可比擬的。

目前異質結雙極電晶體沒有公認的等效電路模型，一般折中的辦法就是採用同質結的雙極晶管的等效電路模型。