Особенности применения модели VBIC при

проектировании ИМС на SiGe биполярных транзисторах

Ю.А. Чаплыгин1, Ю.Ф. Адамов1,2, В.П. Тимошенков1

 1Национальный исследовательский университет МИЭТ,

2Институт  проблем проектирования в микроэлектронике РАН

2014

1

2. Структура SiGe ГБТ

1.Высокий коэффициент усиления :

Выигрыш в коэффициенте усиления в 3…10 раз за счет большей ширины запрещенной зоны в эмиттере по сравнению с обычными интегральными биполярными транзисторами составит:

11

exp11

kT

E

WN

D

D

WN

I

I g

ee

pe

nb

bb

en

epe

10...3)1(

)(

)(

)(

)(

)(,

,)0(,

____

____

kTE

kTEGeg

SiVC

SiGeVC

Sinb

SiGenb

Si

SiGe

Geg

Geg

e

ekTE

NN

NN

D

D

3. Особенности применения ГБТ2.Высокое быстродействие (Ft≈300ГГц)

-Выигрыш в снижения времени пролета под базой по сравнению с обычными биполярными интегральными транзисторами;

-Пониженное сопротивление базы за счет снижения сопротивления тела базы (возможности большего степени легирования базы);-Меньшая емкость эмиттерного перехода (большая ширина зонной диаграммы в эмиттере позволяет уменьшить степень легирования эмиттера)

1

2Tec

f

1

2CB

ec m te tc b e c tcsat

Wg C C r C

v

1 Cm

C BE

dIkTg

qI dV

s

bcdc

X

2, bebe Cr

nb

bb D

W

2

2

1...5,0)exp(11)(

)(2,

,,,

,

,

,

kTE

E

kT

E

kT

D

DGeg

GegGegSiGebn

Sibn

Sib

SiGeb

br

beC

4. Особенности применения ГБТ 3.Повышенное напряжение Эрли (до 100В)

Выигрыш в напряжении Эрли 2…4 раза по сравнению с обычным интегральным транзистором обеспечивается за счет высокой концентрации примеси в базе.

Потенциально более высокие напряжения прокола базы по сравнению с BJT за счет более высокой концентрации примеси в базе.4. Пониженные пробивные напряжения являются результатом встроенного поля в базе.

11

)0(

cb

b

b

c

cb

ccA dV

dW

dW

dJ

dV

dJJV

4...2)exp(1

)exp(,

,,

,

,

kTE

kTEkTE

V

V

Geg

GegGeg

VbeSiA

SiGeA

5. Особенности применения ГБТ5. Низкий уровень собственных шумов транзистора обусловлен высоким коэффициентом усиления транзистора

где при

6. Эффект саморазогрева, обусловленный высокими плотностями эмиттерного тока

2

min

221 11 1

2n im n

m m n

R Cg RNF

g g R

2

min

1 11 2 m b

T

fNF g r

f

mbn grR

2

1 5.0bmrg

6. Эквивалентная схемаМодель Гуммеля-Пуна• Эффект Эрли рассчитывается из упрощенных соотношений.• Базовый ток связан с током коллектора.• Обратный ток определяется эмиттерным переходом• Лавинный пробой не учитывается.• Базовый резистор определяется эмпирически.• Туннельный эффект не учитывается.• Коллекторное сопротивление постоянно.• Сопротивление подложки отсутствует.

Модель VBIC• Эффект Эрли зависит от заряда.• Базовый ток независим от тока коллектора.• Обратный ток определяется эмиттерным переходом.• Учитывается слабый лавинный пробой между базой и коллектором.• Базовый резистор рассчитывается аналитически.• Туннельный эффект рассчитывается аналитически.• Коллекторное сопротивление состоит из постоянной и переменной частей.• Есть сопротивление подложки.

7. Экспериментальные результаты

•Размер эмиттера 3 мкмх0,13 мкм

8. Влияние сопротивления базы на ВАХ ГБТ

Пробой коллекторного перехода:

где – коэффициент умножения тока в коллекторном переходе.В схеме с общей базой напряжение пробоя (VbrE) существенно выше, чем в схеме с общим эмиттером (VbrE)

•Размер эмиттера 3 мкмх0,13 мкм

9. Выводы• Модель VBIC гетероструктурного биполярного транзистора адекватно отражает эффекты саморазогрева, ионизации, туннелирования и высокого уровня инжекции, что плохо учитывается в классической модели Гуммеля – Пуна (SGP).

• В модели VBIC точность моделирования ВАХ оценивается в 5%, это определяет ее успешное применение в системах схемотехнического моделирования для устройств высокой степени интеграции с приемлемым временем моделирования.

• Более точные модели содержат большее количество параметров, что может потребовать больших временных ресурсов при моделировании сложных устройств.

• Время расчета устройства типа приемопередатчик Х диапазона в рамках программы моделирования CADENCE с использованием модели VBIC составляло 20-25 минут и существенно зависит от угла технологического процесса.