Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN DUY ĐỒN

GIẢI TÍCH VÀ MƠ PHỎNG LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
BÁN DẪN SIÊU CAO TẦN AlGaAs/GaAs HBT

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số ngành : 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phan Hồng Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS. TS Vũ Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2:

PGS. TS Nguyễn Hữu Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC

SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 3 tháng 1 năm 2008.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Duy Đoàn

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 07/04/1981

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

MSHV:01405303

I- TÊN ĐỀ TÀI: ‘Giải tích và mơ phỏng linh kiện điện tử bán dẫn siêu cao tần
AlGaAs/GaAs HBT’
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
•


•
•
•
•

Tìm hiểu lý thuyết bán dẫn và vật liệu bán dẫn mới GaAs
Tính phân bố năng lượng trong HBT.
Tính dịng điện Base và Collector, phân tích quan hệ dịng-áp.
Tính các phần tử mạch tương đương, áp Early, áp đánh thủng.
Tính tần số cắt, tần số cực đại, ma trận tán xạ [S], nhiễu.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2007
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 5/11/2007
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Phan Hồng Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
Ngày…...tháng…..năm 2008
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn cô Phan Hồng Phương, người đã
trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ về tài liệu cũng như định hướng
trong lúc triển khai giúp tơi hồn thành luận văn này.

Tơi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện-Điện
tử trường Đại học Bách khoa, là những người truyền đạt kiến
thức, định hướng nghiên cứu trong suốt khóa đào tạo sau đại
học.
Tơi thật sự hạnh phúc khi luôn nhận được sự ủng hộ, động viên
từ gia đình, đồng nghiệp và bạn bè. Tơi xin cảm ơn tất cả
những tình cảm sâu sắc ấy.
Trong phạm vi đề tài, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót, rất mong được thầy cơ và các bạn góp ý thêm để luận văn
được hồn thiện hơn.

TP.Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 11 năm 2007.
Học viên
NGUYỄN DUY ĐOÀN


TÓM TẮT
Hiện nay, các linh kiện được dùng nhiều trong các thiết kế vi mạch điện tử như BJT,
NMOS, PMOS làm bằng SiGe gặp rất nhiều hạn chế về khả năng đáp ứng tần số cao,
khuếch đại, độ ổn định dòng điện... Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu các
loại vật liệu bán dẫn và linh kiện mới đáp ứng hoạt động ở dải tần số siêu cao (Ghz).
Các linh kiện được đầu tư nghiên cứu nhiều hiện nay là HBT, HEMT, MESFET. Hiện
tại, công việc nghiên cứu chỉ dừng lại ở các bài báo riêng lẻ, các thiết kế trong phịng
thí nghiệm chứ chưa xây dựng được một tiêu chuẩn chung, chưa được ứng dụng phổ
biến và cũng chưa có một cuốn sách nào trình bày chi tiết đầy đủ về 3 loại linh kiện
mới này.
Đề tài: "Giải tích và mơ phỏng linh kiện điện tử bán dẫn siêu cao tần AlGaAs/GaAs
HBT (Heterojunction Bipolar Transistor)" được tiến hành với mục đích tìm hiểu, tính
tốn và phân tích các đặc tính về năng lượng, quan hệ dịng điện-điện áp, mơ hình
mạch tương đương, ma trận tán xạ và một số đặc tính khác của linh kiện HBT làm

bằng vật liệu phức hợp Al0.3Ga0.7As/GaAs. Linh kiện HBT AlGaAs/GaAs là một loại
linh kiện mới, có khả năng đáp ứng các ứng dụng ở tần số siêu cao (10Ghz ÷ trên
100Ghz) nhờ độ linh động điện tử lớn, có cấu trúc khơng đồng nhất (Heterojunction),
có nồng độ kích tạp cao và thích hợp cho các thiết kế số lẫn tương tự. Với các kết quả
đạt được, đề tài đã đưa ra qui trình và phương pháp tính tốn, phân tích các đặc tính
của linh kiện HBT AlGaAs/GaAs, Nếu hồn thiện các thủ tục giao tiếp và liên kết về
mặt phần mềm, ta có thể xây dựng một module bổ sung về linh kiện HBT cho các
chương trình mơ phỏng, thiết kế mạch điện hiện tại. Từ các kết quả tính tốn, ta có thể
xây dựng các module thiết kế nhỏ trong mạch tích hợp đơn khối (MMIC) như mạch
khuếch đại cơng suất (PA), chuyển mạch (Switch), bộ lọc nhiễu thấp… dùng trong các
thiết bị vơ tuyến di động. Bên cạnh đó, đề tài có thể dùng làm tài liệu tham khảo, giới
thiệu về một loại linh kiện mới cũng như cách tính tốn phân tích đặc tính cho các sinh
viên có định hướng làm việc trong ngành thiết kế điện tử bán dẫn.

i


ABSTRACT

Nowadays, the components are used popularly in microwave circuit design that as
BJT, NMOS, PMOS are made by SiGe which get so many difficulty about the
capability of high frequency respond, amplified, and the stability of current...
Scientists are concentrating to study about new semiconductor material and new
devices, which can respond to work in ultra-high frequency (Ghz). The components
are invested to research is HBT, HEMT, MESFET now. Present, researching works
are paused for separate reports, packet of designs in laboratary but there is not a
general standards, popularly applied, and talked particularly about these new devices
in guide books.
This thesis: "Analytic and Simulating about microwave component AlGaAs/ GaAs
HBT (Heterojunction Bipolar Transistor)" is carried out with purposes as: studying,

calculating and analyzing about distribution of energy, relative between of current and
voltage, equivalent circuit model, scrattering matrix and many another particulars of
HBT components which are made by compound material as Al0.3Ga0.7As/GaAs. HBT
AlGaAs/GaAs component is the new component which able to be used in microwave
application (10GHz to over 100GHz) depending to high electron mobility, having
hetero-junction and having high doping concentrate, being suitable for both analog
and digital designs. With reached results, this thesis sent out operations, calculating
methods and analyzing the particulars of HBT AlGaAs/GaAs components. If
procedures for communication are completed perfectly and softwares are linked, we
can build a module which complements emulating programs with HBT component
and designs the circuit. With calculating results, we can design some modules in
monolithic microwave integrated circuit, such as: power amplified, switching, lownoise filter, which is used in mobile devices. Beside, this thesis could to be used as
guide book or introduce about a new component as well as methods of calculating
and analyzing particulars, orient to student’s works in semiconductor electronical
design branch.

ii


MỤC LỤC
CHƯƠNG I

MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI ………………………………………….... 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ………………. .…………………………………..… 2
1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI ………………………………………………...…... 2
1.4 PHẠM VI GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI …………….……………………….. 2
1.5 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ………………………………………….. 3
1.6 BỐ CỤC LUẬN VĂN ……………….……………………………………… 4


CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÁN DẪN - VẬT LIỆU GaAs

2.1 NĂNG LƯỢNG TRONG BÁN DẪN ……………………………………

5

2.2 BÁN DẪN NỘI TẠI ………………………………………………………… 6
2.3 BÁN DẪN KÍCH TẠP

……………………………………………….... 6

2.4 MỨC NĂNG LƯỢNG FERMI

................................................................... 7

2.5 SỰ LAN TRUYỀN HẠT DẪN ...............................................................… . 7
2.5.1 Chuyển động trôi

............................................................................ 7

2.5.2 Chuyển động khuếch tán

............................................................... 8

2.5.3 Độ linh động của hạt dẫn

............................................................... 8


2.6 CÁC TIẾP XÚC BÁN DẪN

.................................................................... 9

2.6.1 Tiếp xúc giữa 2 lớp bán dẫn n-p
2.6.2 Tiếp xúc bán dẫn với kim loại
2.7 VẬT LIỆU BÁN DẪN GaAs

.................................................. 9
....................................................... 10

..................................................................... 13

2.7.1 Giới thiệu Gallium Arsenide (GaAs)
2.7.2 Các đặc tính

................................................................................. 14

2.7.3 Độ linh động và vận tốc trơi
2.7.4 GaAs kích tạp

......................................... 13

........................................................ 15

............................................................................... 16

2.8 HETERO_JUNCTION (Tiếp xúc không đồng nhất)


iii

............................. 18


CHƯƠNG III

HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR

3.1 GIỚI THIỆU AlGaAs HBT ...................................................................... .21
3.2 CẤU TẠO HBT Al0.3Ga0.7As/GaAs ........................................................... 22
3.3 ĐẶC TÍNH Al0.3Ga0.7As/GaAs HBT ......................................................... 24
3.4 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ................................................................. 24
3.5 SẢN XUẤT ................................................................................................. 25

CHƯƠNG IV

PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG

4.1 CƠ SỞ PHÂN TÍCH

................................................................................. 28

4.2 PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG ...................................................................... 31
4.2.1 Trường hợp không phân cực

..................................................... 31

4.2.1.1 Tiếp xúc Base-Emitter


...................................................... 33

4.2.1.2 Tiếp xúc Base-Collector
4.2.2 Trường hợp có phân cực

................................................... 36
............................................................ 40

4.2.2.1 Tại tiếp xúc Base-Emitter

................................................. 40

4.2.2.2 Tại tiếp xúc B-C ......................................................................41

CHƯƠNG V

DÒNG ĐIỆN - ĐIỆN ÁP

5.1 DỊNG ĐIỆN COLLECTOR (IC) ............................................................... 44
5.1.1 Mơ hình Drift-Diffusion ................................................................... 45
5.1.2 Mơ hình Thermionic-Field-Diffusion ............................................ 46
5.2 DỊNG BASE IB

........................................................................................ 51

5.2.1 Dòng tái hợp trên bề mặt cực Base IS .............................................. 52
5.2.2 Thành phần IB-bulk ............................................................................... 53
5.2.3 Dòng tái hợp trong miền nghèo tiếp xúc Base-Emitter ISCR ........... 53
5.2.4 Dòng phun lỗ trống từ cực Base vào cực Emitter IRE .................... 54
5.2.5 Dòng tái hợp hạt dẫn ở cực Base IRB ................................................. 54

5.2.6 Hệ số độ lợi dòng điện β ..................................................................... 56
5.3 ĐIỆN ÁP ĐÁNH THỦNG (BREAKDOWN VOLTAGE) ........................ 57
5.3.1 Đánh thủng do nhiệt ........................................................................... 57
5.3.2 Đánh thủng hiệu ứng Tunnel ............................................................. 57
5.3.3 Đánh thủng thác lũ ............................................................................ 57
iv


5.4 ĐIỆN ÁP EARLY (J.M.EARLY) ............................................................. 59

CHƯƠNG VI

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU NHỎ

6.1 MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG

............................................................ 62

6.1.1 Cấu trúc bên trong (Internal) ............................................................. 62
6.1.1.1 Hỗ dẫn gm ..................................................................................... 63
6.1.1.2 Điện trở Collector-Emitter rce ......................................................... 64
6.1.1.3 Điện trở Emitter-Base reb ................................................................. 65
6.1.1.4 Tụ điện Base-Collector Ccb .............. ........................................... 67
6.1.1.5 Tụ điện Emitter-Base Ceb ………................................................ 67
6.1.2 Cấu trúc bên ngoài (External) ............................................................ 70
6.1.2.1 Điện trở cực Emitter RE ............................................................. 70
6.1.2.2 Điện trở cực Base RB ................................................................... 71
6.1.2.3 Điện trở Collector RC ................................................................. 75
6.2 TIME DELAY .............. ............................................................................. 77
6.2.1 Thời gian trễ ở cực Emitter ................................................................ 77

6.2.2 Thời gian truyền dẫn đi qua cực Base ......... ..................................... 77
6.2.3 Thời gian trễ qua miền nghèo tiếp xúc Base-Collector ........…........ 78
6.2.4 Thời gian tích điện ở cực Collector .................................................... 78
6.3 TẦN SỐ CẮT VÀ TẦN SỐ CỰC ĐẠI ....................................................... 78
6.3.1 Tần số cắt .............................................................................................. 78
6.3.2 Tần số cực đại ....................................................................................... 79
6.4 MA TRẬN TÁN XẠ [S] ............................................................................... 81
6.5 NHIỄU ........................................................................................................... 86

CHƯƠNG VII

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

7.1 GIAO DIỆN CHÍNH …………………………………………………… 92
7.2 PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG

…………………………………………… 93

7.3 QUAN HỆ DỊNG ĐIỆN – ĐIỆN ÁP …………………………………. 96
7.4 TÍNH IB, β, ĐIỆN ÁP ĐÁNH THỦNG, Vearly ………………………. 100
7.5 PHÂN TÍCH MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG ……………………………… 104
7.6 TÍNH TIME-DELAY, fmax , fT , MA TRẬN [S] ……………………….. 108
7.7 TÍNH NHIỄU NFmin …………………………………………………….. 112

v


CHƯƠNG VIII
8.1 KẾT LUẬN


KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
…………………………………………………………… 114

8.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ….. …………………………………………… 116

vi


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Các đặc tính của GaAs ………………….……………………………… 14
Bảng 3.1: Một số đặc tính của AlGaAs/GaAs HBT ………………………………… 24
Bảng 7.1 Thống kê giá trị của [S] theo dải tần hoạt động ………………………

xi

111


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1: Các dải năng lượng trong bán dẫn ................................................................. 5
Hình 2.2: Mức Fermi của bán dẫn nội tại và bán dẫn kích tạp ..................................... 7
Hình 2.3: Tiếp xúc p-n ................................................................................................... 9
Hình 2.4: Phân cực thuận cho tiếp xúc p-n ........ ........................................................... 9
Hình 2.5: Phân cực ngược cho tiếp xúc p-n ....... ........................................................ 10
Hình 2.6: Mức năng lượng của kim loại và bán dẫn .... .............................................. 11
Hình 2.7: Mức năng lượng của rào thế Shottky .. ....................................................... 11
Hình 2.8: Rào thế Shottky khi cân bằng ..................................................................... 11
Hình 2.9: Rào thế Shottky khi phân cực thuận ........................................................... 12
Hình 2.10: Rào thế Shottky khi phân cực nghịch ....................................................... 13
Hình 2.11: Dải năng lượng của Si và GaAs ............................................................... 15

Hình 2.13: Các mức năng lượng của GaAs kích tạp ................................................... 17
Hình 2.14: Các mức năng lượng của hai loại bán dẫn ................................................. 18
Hình 2.15: Các dải năng lượng tại tiếp xúc khơng đồng nhất ..................................... 18
Hình 2.16: Giếng lượng tử .......................................................................................... 19
Hình 2.17: Dải năng lượng phía AlGaAs tại tiếp xúc AlGaAs/GaAs ......................... 20
Hình 2.18: Mơ hình dịng điện đi qua tiếp xúc khơng đồng nhất ................................ 20
Hình 3.1: Cấu trúc đơn giản của một AlGaAs/GaAs HBT npn .................................. 22
Hình 3.2: Mơ hình rút gọn của HBT ........................................................................... 22
Hình 3.3: Rào thế với điện tử và lỗ trống .................................................................... 23
Hình 3.4: Đặc tuyến Dịng –Áp của HBT …………………………………………... 25
Hình 3.5: Một cấu trúc sau khi ngưng tụ đủ các lớp ...............…............................... .26
Hình 3.6: Tạo chân Emitter ......................................................................................... 26
Hình 3.7: Ăn mòn axit phần GaAs thừa ở cực Base ................................................... 26
vii


Hình 3.8: Tạo chân Base ............................................................................................. 26
Hình 3.9: Tạo chân Collector ...................................................................................... 26
Hình 3.10: Sản phẩm hồn chỉnh ................................................................................ 26
Hình 4.1: Mặt cắt của HBT ........................................................................................ 28
Hình 4.2: Mật độ điện tích ở tiếp xúc p – n ................................................................. 30
Hình 4.3: Các dải năng lượng trong HBT ................................................................... 32
Hình 4.4: Phân bố năng lượng khi khơng phân cực .................................................... 38
Hình 4.5: Năng lượng dải dẫn trong HBT không phân cực ........................................ 39
Hình 4.6: Tham khảo một kết quả trên tạp chí. ........................................................... 39
Hình 4.7: Mơ hình năng lượng khi có phân cực ........................................................ 40
Hình 5.1: Các mức năng lượng và rào thế trong HBT ................................................ 44
Hình 5.2: Mật độ dịng JC theo mơ hình Drift-Diffusion ........................................... 46
Hình 5.3: Hai cơ chế phát sinh dịng IC ..................................................................... 47
Hình 5.4: Mức năng lượng rời rạc D(X) trong giếng lượng tử .................................. 48

Hình 5.5: Mật độ dịng JC ....………......................................................................... 49
Hình 5.6: Quan hệ dòng IC (A) và áp phân cực VBE (V) .......................................... 50
Hình 5.7: So sánh kế quả phân tích của 2 mơ hình .................................................... 50
Hình 5.8: Tham khảo kết quả trên tạp chí …………………… ……………………. 51
Hình 5.9: Mặt cắt dọc các điện cực của HBT ............................................................. 52
Hình 5.10: Giảm bề mặt trống của cực Base bằng lớp AlGaAs .................................. 52
Hình 5.11: Các thành phần của dịng IB ..................................................................... 55
Hình 5.12: Mật độ dịng Base JB ....………................................................................ 55
Hình 5.13: Đặc tuyến IB – VBE ................................................................................. 56
Hình 5.14: Hệ số khuếch đại dịng điện β ................................................................... 56
Hình 5.15: Cấu trúc phân cực cực Emitter hở ............................................................. 58
viii


Hình 5.16: Cấu trúc phân cực cực Base hở ................................................................. 58
Hình 5.17: Điện áp Early ............................................................................................ 59
Hình 5.18: Tham khảo kết quả phương pháp của J.J.Liou ........................................ 61
Hình 6.1: Mạch tương đương dạng Π của HBT …………………………………….. 62
Hình 6.2: Cấu trúc bên trong của HBT ………………………….…………………... 62
Hình 6.3: Mạch tương đương của cấu trúc bên trong ……………..………………… 63
Hình 6.4: Điện trở Base-Emitter …………………….………………………………. 66
Hình 6.5: Tụ điện vùng tiếp xúc Base-Collector ……………………………………. 67
Hình 6.6: Tụ điện Base-Emitter …………….……………………………………….. 69
Hình 6.7: Cấu trúc External của HBT

…………………………………………... 70

Hình 6.8: Điện trở cực Emitter …………… ……………………………………….. 71
Hình 6.9: Mơ hình điện trở cực Base ……………………… ………………………. 72
Hình 6.10: Các thành phần của trở cực Base ………………………… …………… 73

Hình 6.11: Điện trở tổng cực Base ………………………… ……………………… 74
Hình 6.12: Mơ hình tương đương điện trở Collector ………………………… …… 75
Hình 6.13: Các điện trở thành phần cực Collector ……………………………… .. 76
Hình 6.14: Điện trở tổng cực Collector ……………………………… ……………. 76
Hình 6.15: Mơ hình mạng 2 cửa đơn giản …………………………………………... 81
Hình 6.16: Mơ hình tính tốn ma trận [Z] …………………………………… …… 82
Hình 6.17: Đồ thị Smith S11 và S22 theo tần số ……………………………………… 85
Hình 6.18: Đồ thị biên độ của S12 và S21 theo tần số … ……………………..……… 86
Hình 6.19: Mơ hình nhiễu tương đương ………………………………… ………… 88
Hình 6.20: Hệ số nhiễu cực tiểu theo tần số ………………………………… ……. 90
Hình 6.17: Một số giá trị NFmin của HBT tham khảo trên tạp chí ………… …….. 91
Hình 7.1: Giao diện chính của chương trình …… ………………………………… 92
Hình 7.2: Lưu đồ giải thuật tính phân bố năng lượng …………………………….. 93
ix


Hình 7.3: Phân bố năng lượng trong HBT khi khơng phân cực …………………….. 94
Hình 7.4: Phân bố năng lượng trong HBT khi VBE = 1.2V, VCB = 1V …………… 94
Hình 7.5: Lưu đồ tính dịng IC theo mơ hình Driff-Diffusion ………………………. 96
Hình 7.6: Lưu đồ tính dịng IC theo mơ hình Ther-Field-Diff ……………… …….. 97
Hình 7.7: Kết quả tính IC theo mơ hình Driff-Diffusion ………………… ……….. 98
Hình 7.8: Kết quả tính IC theo mơ hình Ther-Field-Driff …………………………. . 98
Hình 7.9: So sánh 2 mơ hình tính IC ……………………………………………. … 99
Hình 7.10: Lưu đồ tính IB, β và điện áp đánh thủng ……………………………. … 100
Hình 7.11: Lưu đồ tính điện áp VEarly

…………………………………………. 101

Hình 7.12: Kết quả phân tích dịng IB ……………………………………………… 102
Hình 7.13: Kết quả tính β ………………………………………………………….. 102

Hình 7.14: Lưu đồ tính gm, rce, reb …………………………………………………. 104
Hình 7.15: Lưu đồ tính RE, RB, RC và Cbc, Cbe …………………………………… 105
Hình 7.16: Tính phần tử tương đương …………………………………………….. 106
Hình 7.17: Kết quả tính được khi thay đổi áp phân cực …………………………… 106
Hình 7.18: Kết quả tính được khi thay đổI W, L ………………………………… 107
Hình 7.19: Lưu đồ tính thời gian trễ, tần số cực cắt và cực đại
Hình 7.20: Lưu đồ tính ma trận tán xạ [S]

………………. 108

……………………………………. 109

Hình 7.21: Kết quả tính fT, fmax và [S] …………………………………………….. 110
Hình 7.22: Đồ thị Smitch diễn tả S11 và S22 …………………………………….. 110
Hình 7.23 Lưu đồ tính NFmin ……………………………………………………… 112
Hình 7.24: Kết quả tính NFmin , Ropt , Xopt

………………………………………. 113

Hình 8.1: Mơ hình lưới rời rạc khi phân tích 2D …………………………………. 115

x


KÝ HIỆU
AE

: Emitter Area

B


: Base

C

: Collector

Ccb

: Collector-Base Capacitor

CdBC

: Depletion Collector-Base Capacitor

Dn

: Diffusion Coefficient for electron

Dp

: Diffusion Coefficient for hole

d scCB

: Width of Space-charge Collector-Base

EC

: Conduct level


EG

: Bandgap

EV

: Valance level

E

: Energy

EF

: Fermi level

f ( E ) : Fermi Diract distribution function
fT

: Cutoff frequency

Fn

: Flux of electron

Fp

: Flux of hole


gm

: Transconduction

h

: Palnk constance

IC

: Collector current

IB

: Base current

I RE

: Injection current from Base to Emitter

I RB

: Recombination current

I SR

: Surface Recombination current

I SCR


: Space charge Region recombination current

I B −bulk : Base bulk recombination current
JC

: Collector current density

J n,drift : Electron driff current density
xiii


J drift : Driff current density
kB

: Boltzman constance

LnB

: Minority Electron diffusion length

L

: Length

mn*

: Effective electron mass

ND


: Donor concentrate

NA

: Acceptor concentrate

ni

: Intrinsic carrie concentrate

nc

: Collector doping concentrate

ne

: Emitter doping concentrate

nb

: Base doping concentrate

NF

: Noise figure

q

: Electron charge


QnB

: Charge of electron in Base

Q pE

: Charge of hole in Emitter

rce

: Collector-Emitter resistor

reb

: Base-Emitter resistor

RB

: Base resistor

RcoB

: Base contact resistor

RBe

: Base external resistor

RBi


: Base internal resistor

RcoC

: Collector contact resistor

Ropt

: Optimum resistor

T

: Temperature

τ BT

: Base transist time

τ CT

: Collector transist time

U

: Unilateral power gain

vS

: Saturation velocity


VT

: Thermal voltage
xiv


vn

: Electron velocity

Vbi

: Built-in Voltage

VBavr : Average base voltage
VA

: Early voltage

wB

: Base thickness

W

: Width

ρ

: Restrictivity


α

: Common Base current gain

β

: Common Emitter current gain

ε

: Dielectric constance

µ

: Electron/Hole Mobility

ϕ

: Potential

χ

: Electron affinity

xv


TỪ VIẾT TẮT
HBT : Heterojunction Bipolar Transistor

2DEG : Two-Dimension Electron Gas
BJT : Bipolar Junction Transistor
DBS : Direct broadcast satellite
DHBT : Double heterojunction bipolar transistor
FET : Field Effect transistor
HEMT : High Electron Mobility Transistor
LPE : Liquid Phase Epitaxy
LSI : Large Scale Integrated
MBE : Molecular Beam Epitaxy
MESFET: Metal-Shottky gate field-effect transistor
MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Depostition
MOS : Metal oxid Semiconductor
NF : Noise figure
PCS : Personal Communicate System
SCR : Surface Charge recombination
WLAN : Wireless local area networks

xii


Chương 1: Mở đầu

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

CHƯƠNG I
MỞ ĐẦU
1.1 LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI
Ngày nay, các nhu cầu dịch vụ truyền thơng, giải trí phát triển rất nhanh, nhất là các
ứng dụng ở tốc độ cao. Tuy nhiên, những giới hạn về băng tần cũng như những hạn
chế về khả năng đáp ứng của linh kiện là những cản trở lớn cho sự phát triển. Để giải

quyết các hạn chế đó, địi hỏi các nhà khoa học tập trung nghiên cứu mở rộng dải tần
số ứng dụng. Tất cả bắt đầu bằng việc tạo ra các loại vật liệu và linh kiện mới có khả
năng làm việc ở tần số siêu cao (Ghz).
Sau hơn 3 năm làm việc trong lĩnh vực thiết kế vi mạch điện tử, tôi đã được tiếp xúc
với nhiều dạng mạch kỹ thuật số phục vụ cho các mục đích ứng dụng khác nhau. Các
linh kiện được sử dụng chủ yếu trong quá trình thiết kế là các Transistor thuộc họ
MOS, làm bằng vật liệu SiGe. Các linh kiện này đã ra đời từ rất lâu (khoảng những
năm 1960s), và có nhiều nhược điểm như khả năng đáp ứng tần số thấp, dịng điện
khơng ổn định...
Hiện nay, các linh kiện điện tử siêu cao tần được đầu tư nghiên cứu nhiều nhất là
HBT, HEMT, MESFET... Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới chỉ được giới thiệu ở các
bài báo riêng lẻ; các thiết kế cịn giới hạn trong phạm vi phịng thí nghiệm chứ chưa
được ứng dụng phổ biến, chưa xây dựng được một tiêu chuẩn chung, và cũng chưa có
một cuốn sách nào trình bày chi tiết đầy đủ về các loại linh kiện mới này. Các thiết kế
đơn lẻ mới được các công ty lớn giới thiệu trong các cuộc triển lãm cơng nghệ cao.
Với mong muốn tìm hiểu sâu hơn về các linh kiện điện tử siêu cao tần mới, những linh
kiện sẽ được ứng dụng nhiều để thiết kế các vi mạch điện tử trong tương lai, đề tài
"Giải tích và mô phỏng linh kiện điện tử bán dẫn siêu cao tần AlGaAs/GaAs HBT" đã
được lựa chọn và triển khai.
HBT là từ viết tắt của: Heterojunction Bipolar Transistor. HBT là một linh kiện
Transistor thuộc họ Bipolar, cấu trúc không đồng nhất về vật liệu, có sự chênh lệch về
độ rộng mức năng lượng dải cấm giữa cực Base và Emitter.
AlGaAs và GaAs là các loại hợp kim mới với các đặc tính tối ưu hơn so với SiGe.
HBT AlGaAs/GaAs có khả năng đáp ứng các ứng dụng ở tần số siêu cao (10Ghz ÷
trên 100Ghz) và thích hợp cho các thiết kế số lẫn tương tự.

Học viên: Nguyễn Duy Đoàn

1



Chương 1: Mở đầu

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Đề tài thực hiện với các mục tiêu sau:
• Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn mới: AlGaAs-GaAs.
• Tính phân bố năng lượng trong linh kiện HBT.
• Phân tích quan hệ dòng điện - điện áp, áp đánh thủng, điện áp Early.
• Xác định các thơng số mạch điện tương đương tín hiệu nhỏ, đáp ứng tần số, ma
trận tán xạ, nhiễu.
1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
• Xây dựng mơ hình tính tốn các thơng số cơ bản của linh kiện HBT. Từ đó có
thể phát triển thành một modul hoàn chỉnh về linh kiện HBT, bổ sung cho các
phần mềm phân tích, thiết kế mạch điện tử.
• Giúp mọi người tiếp cận với các linh kiện và vật liệu mới sẽ được sử dụng phổ
biến trong các thiết kế ở tương lai khơng xa.
• Đề tài này sẽ là tài liệu tham khảo cho các sinh viên có định hướng theo ngành
thiết kế vi mạch điện tử bán dẫn.
1.4 PHẠM VI GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• Nghiên cứu và tìm hiểu về HBT là một đề tài mới ở Việt Nam, nên đề tài này
được thực hiện mà hồn tồn khơng có được một sự kế thừa hoặc tham khảo
nào cả. Do đó, đề tài sẽ xuất phát từ những điều căn bản nhất về HBT: phân bố
năng lượng, quan hệ dịng áp, thơng số mạch tương đương, ma trận tán xạ, đáp
ứng tần số, nhiễu…
• Để đảm bảo sự cập nhật với thực tế, đề tài chọn phân tích HBT làm bằng vật
liệu AlGaAs/GaAs. Đây là loại vật liệu bán dẫn mới, có nhiều ưu điểm và đang
được nhiều công ty đầu tư nghiên cứu, ứng dụng vào các thiết kế vi mạch điện
tử.

• Do chưa có phần mềm mô phỏng về HBT và các phần mềm thiết kế mạch điện
cũng chưa có linh kiện HBT nên đề tài quyết định chọn ngôn ngữ Matlab để
thực hiện tính tốn mơ phỏng các đặc tính của HBT.
• Chưa có một cuốn sách viết chi tiết về HBT, nên quá trình triển khai đề tài chủ
yếu tham khảo các bài báo trên tạp chí IEEE.

Học viên: Nguyễn Duy Đồn

2


Chương 1: Mở đầu

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

1.5 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Đây là một đề tài hoàn toàn mới nên quá trình thực hiện được bắt đầu từ những vấn đề
cơ bản nhất. Đề tài được phát triển dựa theo qui trình phân tích kinh điển của các linh
kiện đã phổ biến như BJT, FET… Trong từng mục cụ thể sẽ tìm các bài báo có liên
quan trên tạp chí IEEE để tham khảo cách phân tích. Do có nhiều vấn đề được phân
tích trong đề tài này nên số lượng bài báo sưu tập phục vụ nghiên cứu là rất lớn.
Cách triển khai cụ thể như sau:
o Tìm hiểu về vật lý bán dẫn và các vật liệu bán dẫn phổ biến.
o Phân tích vật liệu mới GaAs, sự kích tạp, tiếp xúc khơng đồng nhất
Heterojunction và hoạt động của kênh 2DEG.
o Cấu trúc vật lý HBT, nguyên tắc hoạt động và một số đặc điểm nổi bật.
o Tính phân bố năng lượng trong HBT trong hai trường hợp: khơng phân cực và
phân cực. Phân tích khả năng hình thành kênh dẫn, dòng điện trong HBT và
định hướng phân cực cho HBT.
o Tính các thành phần dịng điện trong HBT. Phân tích quan hệ Dịng điện - Điện

áp, hệ số độ lợi dòng điện β, điện áp đánh thủng và điện áp Early.
o Xây dựng mơ hình mạch điện tương đương tín hiệu nhỏ. Tính giá trị của các
phần tử trong mạch điện tương đương. Tính ma trận trở kháng [Z].
o Tính thời gian truyền dẫn điện tử trong HBT, tính thời gian trễ ở các điện cực.
Tính khả năng đáp ứng tần số, tần số cắt fT và tần số cực đại fmax của HBT.
o Tính ma trận tán xạ [S], nhiễu trong HBT.
o Tổng kết và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab.
1.6 BỐ CỤC LUẬN VĂN
Nội dung luận văn được trình bày trong tám chương. Chương Mở đầu sẽ giới thiệu
chung về đề tài nghiên cứu, mục tiêu và ý nghĩa thực tiễn của nó, đồng thời cũng giới
thiệu về phạm vi, giới hạn của đề tài và cách thức thực hiện luận văn.
Cơ sở lý thuyết phục vụ cho luận văn sẽ được trình bày ngắn gọn trong chương 2.
Phần đầu của chương 2 là lý thuyết về vật lý bán dẫn, các dải năng lượng, q trình
kích tạp và các cơ chế lan truyền của hạt dẫn. Tiếp theo, chương này sẽ trình bày về
các tiếp xúc và tính chất phân cực. Phần cuối của chương 2 sẽ giới thiệu về vật liệu
bán dẫn GaAs, tiếp xúc không đồng nhất Heterojunction và hoạt động của vùng
2DEG.
Chương 3, Giới thiệu về HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) bao gồm: quá trình
phát triển của HBT, cấu trúc vật lý của AlGaAs/GaAs HBT và nồng độ kích tạp ở các
điện cực. Quan trọng nhất là phần trình bày về nguyên tắc và các trạng thái hoạt động
của HBT, các đặc tính nổi bật của HBT so vớI BJT. Cuối chương sẽ giới thiệu vế qui
trình kỹ thuật sản xuất HBT.

Học viên: Nguyễn Duy Đoàn

3


Chương 1: Mở đầu


GVHD: TS. Phan Hồng Phương

Ba chương đầu tiên của luận văn giúp ta hình dung được tính chất của vật liệu GaAs,
cấu trúc và một số đặc tính của HBT. Ba chương kế tiếp sẽ đi vào phân tích và tính
tốn cụ thể từng vấn đề:
o Chương 4: Tính phân bố năng lượng trong HBT.
o Chương 5: Tính các dịng điện thành phần Base và Collector, quan hệ
Dòng điện – Điện áp, hệ số độ lợi dòng điện và điện áp Early.
o Chương 6: Tính giá trị các phần tử trong mạch tương đương, ma trận tán
xạ [S], nhiễu, thời gian truyền dẫn, tần số cắt và tần số cực đại.
Chương 7 sẽ tổng kết các kết quả đã tính tốn và phân tích trong 3 chương trước. Thực
hiện tính tốn mơ phỏng bằng phần mềm Matlab.
Trong suốt quá trình làm luận văn, tác giả sẽ phải giải quyết khá nhiều vấn đề gay go
và sẽ còn những tồn tại chưa giải quyết được. Các kinh nghiệm, khó khăn cũng như
các đề xuất hướng phát triển thêm cho đề tài sẽ được tác giả đúc kết một cách cô đọng
trong chương 8, chương “Kết luận và kiến nghị”.

Học viên: Nguyễn Duy Đoàn

4


Chương 2:Cơ sở lý thuyết bán dẫn - GaAs

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÁN DẪN
VẬT LIỆU GaAs
2.1 NĂNG LƯỢNG TRONG BÁN DẪN

Hầu hết tất cả các linh kiện điện tử bán dẫn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Như tên
gọi của chúng, các vật liệu này có tính dẫn điện ở giữa vật dẫn điện và cách điện. Sự
thay đổi rất lớn trong điện dẫn suất có được do số điện tử trên một đơn vị thể tích trong
vật liệu khả dụng để mang dịng điện. Để hiểu tính chất của bán dẫn và làm thế nào để
sử dụng các vật liệu này, ta cần có cái nhìn định tính qua lý thuyết miền năng lượng.
Mơ hình dải năng lượng của bán dẫn gồm 3 dải :
Dải hóa trị (valence band): EV dải năng lượng nằm dưới cùng được lấp đầy
hoàn toàn bằng các electron, các electron này tham gia vào liên kết.
Dải dẫn (conduction band): EC dải năng lượng nằm trên cùng, bình thường
khơng có electron. Dải này cho phép các electron tồn tại, các electron này tham
gia vào quá trình dẫn điện.
Dải cấm (forbidden band): EF dải nằm giữa hồn tồn khơng có electron, dải
này cịn được gọi là khe năng lượng (band gap). Khoảng cách năng lượng của
khe này được gọi là bề rộng vùng cấm EG (EG =2.42 eV đối với GaAs).

Hình 2.1: Các dải năng lượng trong bán dẫn
Độ rộng dải cấm: EG = EC − EV

(2.1)

EC : Năng lượng của electron ở đỉnh dải dẫn.
EV : Năng lượng của electron ở đỉnh dải hóa trị.
Ngồi ra EG cịn phụ thuộc vào nhiệt độ:
EG = E0 −

αT 2
(T + β )

(2.2)


E0 : Giá trị tuyệt đối của khe năng lượng (E =2.519 eV đối với GaAs).

α : Hệ số hiệu chỉnh ( =5.405x10 eV/K đối với GaAs).
Học viên: Nguyễn Duy Đoàn

5


Chương 2:Cơ sở lý thuyết bán dẫn - GaAs

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

β : Hệ số hiệu chỉnh ( =204 K đối với GaAs).
Sự phân bố electron giữa dải hóa trị và dải dẫn xác định các tính chất điện của bán
dẫn. Khi ta thay đổi kích tạp trong bán dẫn thì các thuộc tính điện cũng thay đổi.
2.2 BÁN DẪN NỘI TẠI
Bán dẫn nội tại là loại bán dẫn thuần không chứa các tạp chất ảnh hưởng đến nồng độ
electron và lỗ trống.
Ở nhiệt độ 00K, khơng có năng lượng nhiệt, tất cả các electron ở những trạng thái năng
lượng thấp nhất, các electron tập trung ở dải hóa trị. Dải dẫn khơng chứa electron.
Ở nhiệt độ phịng, một số electron ở dải hóa trị sẽ có đủ năng lượng nhiệt và bị kích
thích đi vào dải dẫn. Cứ một electron đi vào dải dẫn sẽ để lại một mức năng lượng
trống (gọi là lỗ trống) ở dải hóa trị. Như vậy, nồng độ electron n bằng với nồng độ lỗ p
gọi là nồng độ hạt dẫn nội tại ni.
n = p = ni

(2.3)

Nồng độ này chịu ảnh hưởng mạnh của nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng nồng độ này tăng
theo.


ni = B.T 3/ 2 .e− EG / 2kT

(2.4)

B : là hằng số.
T : là nhiệt độ Kelvin.
k : là hằng số Boltzman
2.3 BÁN DẪN KÍCH TẠP
Q trình kích tạp sẽ làm thay đổi đặc tính điện của bán dẫn. Xem hình 2.2 bên dưới.
Có hai loại kích tạp: kích tạp loại n và kích tạp loại p. Trong bán dẫn nội tại (khơng
kích tạp), tất cả các electron tham gia vào liên kết giữa các hạt nhân gần nhau. Ở
những vật liệu kích tạp có 5 electron hóa trị, một hạt nhân khi liên kết với các hạt nhân
khác của bán dẫn sẽ giải phóng 1 electron (kích tạp loại n). Với những vật liệu có 3
electron hóa trị, một hạt nhân kích tạp khi tham gia vào liên kết với hạt nhân khác của
bán dẫn thì sẽ không đủ electron để thực hiện các liên kết dẫn đến dư thừa một lỗ trống
(kích tạp loại p).
Khi kích tạp loại n được thêm vào bán dẫn, các elctron hóa trị thứ 5 của mỗi ngun tử
kích tạp sẽ tương đương với 1 electron chiếm một mức năng lượng có thêm ở bên
trong dải cấm, nhưng rất gần dải dẫn EC . Các trạng thái này ở các mức năng lượng rời
rạc và cách ly (không được phân bố dọc theo không gian) và không thể hoạt động như
các hạt dẫn dòng điện nếu chúng ở trong các trạng thái cách ly. Tuy nhiên, vì các trạng
thái này rất gần với EC, tất cả các electron này sẽ bị kích thích vào dải dẫn để tạo thành
các electron dải dẫn và mỗi electron để lại phía sau một trung tâm tích điện dương.
Mỗi trạng thái cách ly này trung hịa điện nếu nó bị một electron chiếm chỗ và chỉ trở
thành điện tích dương khi nó mất electron của nó (vào dải dẫn). Mức năng lượng như
vậy gọi là mức donor.
Học viên: Nguyễn Duy Đoàn

6