多晶硅发射极.

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1 多晶硅发射极

2 多晶硅 多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过 冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列 成许多晶核，这些晶核长成晶面取向不同的晶粒， 如这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅 可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异 主要表现在物理性质方面。 用重掺杂多晶硅作为CMOS晶体管的栅极和NPN 晶体管的发射极，可以获得较薄的结深，减小栅 极和发射极的寄生参数，从而提高器件的速度性 能。

3 为了提高BJT的放大和频率等性能，必须减薄基区 厚度；在制造工艺上这就要求进行浅基区扩散和 浅发射区扩散（因为杂质热扩散是一种在原子热 运动基础上的定向运动，扩散时间越长、深度越 大，扩散原子的分散性就越大，则所获得的结面 就越不平坦，这就难以实现很薄的基区宽度）。

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5 　　但是浅的发射区（比少数载流子扩散长度小时），由 于表面复合作用增大，则发射区中少数载流子的浓度梯度 较大（如图中的红点线所示），这就将使得发射结的注射 效率降低，并从而影响到晶体管的放大系数。因此，要克 服BJT浅扩散的这种不良影响，就必须减小发射区表面的 复合作用，使发射区中少数载流子浓度的分布梯度减小。 据此，就采用在薄发射区表面上覆盖多晶硅薄膜的办法来 降低表面复合作用（见图示，表面复合速度减小的程度与 多晶硅薄膜的制备工艺有关），从而降低了发射区中少数 载流子浓度的梯度（如图中的红实线所示），提高了发射 结效率和电流放大系数；这也就得到了多晶硅发射极晶体 管。所以，多晶硅发射极晶体管是一种性能优于常规BJT 的新型高频、高速器件。[

6 多晶硅发射极 多晶硅发射极的BJT的理想横截面图

7 仔细观察此图，不难发现，在金属发射极接触和单 晶硅之间存在一层多晶硅薄膜。为了形成发射极， 首先要在发射区表面淀积一层多晶硅薄膜，掺砷使 薄膜形成n+掺杂，然后通过扩散使杂质中的一部 分从薄膜中趋进到下面的单晶硅中，并分布在较浅 的区域内。由此得到的发射极结构，即单晶硅中浅 的掺杂层与同等掺杂的多晶硅薄膜接触的结构，命 名为多晶硅发射极。

8 正是这一层所增加的多晶硅薄膜，就大大改善了晶 体管的性能。其原因就在于覆盖的一层多晶硅薄膜 可以减小浅发射区的表面复合速度，使得发射区中 少数载流子浓度的分布梯度减小，即能起到减弱从 基区往发射区注入载流子的作用，从而可提高发射 结的注射效率和整个器件的电流放大系数。这也就 是多晶硅发射极晶体管的长处。

9 原因 现代IC中，为提高工作速度， 采用薄发射区，即 WE/LE<<1，在发射区的复 合可忽略，此时发射区少子 分布成为位置的线性函数， 在放大模式偏置下，从基区 注入发射区的电流会有一个 显著的增加，从而使发射效 率下降，电流增益也减小。

10 采用多晶硅发射极后，WE1<LE1, WE2<LE2
E1< E2,但是在多晶硅和单晶硅的界面处，少子 的浓度和少子扩散电流是连续的 多晶硅的少子分布的斜率比单晶硅的大，总的结果使基区注入到发射区的电流减少，发射效率增大，电流增益增大

11 多晶硅发射极接触通过多晶硅/单晶硅界面或多晶 硅层对少数载流子（在npn晶体管的发射区中为空 穴）的阻碍作用，使注入发射区的电流（基极电流） 下降，电流增益大幅度提高。

12 沉积多晶硅层不可避免的在多晶硅和单晶硅之间引 入了一个薄的氧化层,这个氧化层的厚度取决于沉积 多晶硅前的清洗工艺。比如，一种化学湿法处理例 如RCA使氧化层的厚度约为14埃，而使用氢氟酸来 刻蚀可以产生一个厚度不连续的氧化层，厚度变化 范围在0到8埃。（1埃=0.1纳米）

13 对于空穴和电子来说，这个氧化层相当于产生了一 个势垒。（因为氧化硅的禁带宽度比硅的大）
对于完整的界面氧化层薄膜，载流子以隧道效应方 式通过 实验表明，薄界面层对电子构成的势垒较低以致隧 穿几率很大，加之发射区重掺杂使电子浓度很大， 故电子电流基本不受界面层的影响。薄层对空穴构 成的有效势垒高度比对电子构成的大很多。 由于薄界面氧化层和多晶硅层的存在，多晶硅发射 极晶体管的电流增益比常规晶体管得到改进。

14 总之，多晶硅发射极能够减小表面复合速度、提高 电流放大系数的机理可能有三种。一是多晶硅-硅 界面的超薄氧化层减小了隧穿的空穴电流（最佳氧 化层厚度为1nm左右），二是多晶硅中少数载流子 迁移率较低（多晶硅中空穴的迁移率约为单晶硅中 的0.3倍），三是多晶硅中晶粒边界杂质的偏析而 形成少数载流子势垒。

15 发射极阻抗 当掺杂使轻掺杂，氧化层的厚度较大时，发射极的 阻抗增加较快。 所以，多晶硅与单晶硅之间的氧化层的厚度应避免 超过15埃。

16 谢谢！