JPH02291134A - Bipolar transistor and operation thereof - Google Patents

Bipolar transistor and operation thereof

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JPH02291134A
JPH02291134A JP11150389A JP11150389A JPH02291134A JP H02291134 A JPH02291134 A JP H02291134A JP 11150389 A JP11150389 A JP 11150389A JP 11150389 A JP11150389 A JP 11150389A JP H02291134 A JPH02291134 A JP H02291134A
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JP
Japan
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base
emitter
layer
emin
junction
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JP11150389A
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Japanese (ja)
Inventor
Kunikazu Ota
太田 邦一
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

PURPOSE:To realize a high-speed operation even in a low electric-current region by a method wherein a Fermi energy from the bottom of a conduction band of an emitter layer is specified, a band gap difference at an emitter-base junction and a base-collector junction is specified and a specific buffer layer whose conductivity type is identical to that of the emitter layer is formed between the base and the emitter. CONSTITUTION:A Fermi energy EF (Eemitter) from the bottom of a conduction band of an emitter layer 19 satisfies an inequality EF (Eemitter)>¦1.3¦Emin¦ regarding Emin=(-0.175).13.6(M*/m0)/epsilons<2>, where M* represents an effective mass of an electron, m0 a mass of the electron in a vacuum and epsilons a relative permittivity of a base layer 16 at an emitter-base junction. DELTAEG, which is a value obtained by subtracting a band gap at a base-collector junction from a bang gap at the emitter-base junction, satisfies an inequality DELTAEG>2¦Emin¦. In addition, an emitter buffer layer 17 whose layer thickness is 10Angstrom or higher, whose impurity concentration is 10<16> to 10<18>cm<-3> and whose conductivity type is identical to that of the emitter layer is constituted between the base and the emitter.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はハイポーラトランジスタの構造と動作方法に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to the structure and operating method of a hyperpolar transistor.

(従来の技術) 従来のハイボーラデハイスは室l昆動作での利用が大部
分であるが、最近デハイスの小型化や低電圧化のために
低温化が検討されている。しかし、その動作は室温での
動作と本質的には違わないものであった。
(Prior Art) Conventional high-voltage high speeds are mostly used for indoor operation, but recently, lowering the temperature has been studied in order to make the high voltage high speeds smaller and lower the voltage. However, its operation was essentially the same as that at room temperature.

(発明が角イ決しようとする問題点) 従来の接合トランジスターの欠点としては低電流域でト
ランスコンダクタンスが小さくなるために、高速動作を
行なうには電流を下げることが出来ず、そのために必然
的に消費電力が大きくなっていた。本発明は負のトラン
スコンダクタンスを実現することによって、低電流域で
も高速に動作し得るハイポーラI・ランジスタ及びこの
動作方法を提案することを目的とする。
(Problems that the invention attempts to solve) One of the disadvantages of conventional junction transistors is that the transconductance becomes small in the low current range, so the current cannot be lowered for high-speed operation. power consumption was increasing. An object of the present invention is to propose a hyperpolar I transistor that can operate at high speed even in a low current range by realizing negative transconductance, and a method for operating the same.

(問題を解決するだめの手段) 本発明はエミノタ層の伝導帯の底からのフェルミエネル
ギーEF(Eemitter)が、電子の有効質量m*
とエミノタ・ベース接合におけるベース層の比誘導電g
l[ε,で表わされるEmin= (一0.175)・
13.6 (m*/mo)/ε3に関して不等式E1、
(Eemitter)>1.3|Emin|なる式を満
足し、かつエミノタ・ベース接合におけるハンドギャッ
プからベースコレクタ接合におけるノ\ンドギャノプを
差し引いた値ΔEoが、△Eo>2|Emin|なる不
等式を満足しベースエミノタ間に層厚100人以上でか
つ10〜10 cm  の不純物濃度を有し、エミノタ
層と同電導型のエミノタバノファ層を有することを特徴
とするnpn型のバイボーラトランジスタを提供するも
のである。
(Means for Solving the Problem) The present invention provides that the Fermi energy EF (Eemitter) from the bottom of the conduction band of the eminota layer is equal to the effective mass m* of the electron.
and the specific induction g of the base layer in the eminota-base junction.
Emin = (-0.175)・
13.6 Inequality E1 regarding (m*/mo)/ε3,
(Eemitter)>1.3|Emin|, and the value ΔEo obtained by subtracting the node\doganop at the base collector junction from the hand gap at the eminota-base junction satisfies the inequality △Eo>2|Emin| The present invention provides an npn type bibolar transistor characterized by having an eminota layer having a layer thickness of 100 or more between the base and eminota, an impurity concentration of 10 to 10 cm, and having the same conductivity type as the eminota layer. .

またpnp型のバイボーラ1・ランジスタとしてエミノ
タ層の価電子帯の上端からのフェルミエネルギーEF(
Eemitter)が、ホールの有効質量がとエミッタ
・ベース接合におけるベース層の比誘電率εsで表わさ
れるEmin=(−0.175)−13.6(m*/m
0)/εs2に関して不等式EF(Eemitter)
 > 1..3|Emin|を満足し、かつエミッタ・
ベース接合における)<ンドギャップからベースコレク
タ接合におけるハンドキャソプを差し引いた値△Eoが
、ΔEo>2|Emin|なる不等式を満足し、ペース
エミソタ間に層厚100人以−I二でかつ10 〜10
 cm  の不純物濃度を有し、エミノタ層と同電導型
のエミソタバノファ層を有する構造を提供するものであ
る。
In addition, as a pnp type bibolar 1 transistor, the Fermi energy EF (
Emitter) is expressed by the effective mass of the hole and the relative dielectric constant εs of the base layer in the emitter-base junction.Emin=(-0.175)-13.6(m*/m
0)/εs2 inequality EF(Eemitter)
> 1. .. 3|Emin| and the emitter
The value ΔEo obtained by subtracting the hand cassop at the base-collector junction from the hand gap at the base-collector junction satisfies the inequality ΔEo>2|Emin|, and the layer thickness between the pace emitters is 100 or more - I2 and 10 to 10
A structure having an impurity concentration of cm 2 and an emitter layer having the same conductivity type as the emitter layer is provided.

またnpn型ハイボーラ1・ランジスタの動作方法とし
てはエミソタ層の伝導帯の底からのフェルミエネルギー
E1,、(Eemitter)が、電子の有効質量m*
とエミッタ・ベース接合におけるベース層の比誘電率ε
sで表わされるEmin= (− 0.175)・13
.6m*/mo/ε,に関して不等式EF(Eemit
ter)> 1.3|Emin|なる式を満足し、かつ
エミノタ.ベース接合におけるバンドギャップからベー
スコレクタ接合におけるバンドギャップを差し引いた値
ΔEoが、ΔEa>2|Emin|なる不等式を満足す
るnpn型のバイポーラ}・ランジスタをボルッマン定
数kBとEminで表わされる不等式kBT <−il
Eminlなる温度Tで動作させることを特徴とする。
In addition, as for the operation method of the npn type high boler 1 transistor, the Fermi energy E1, (Eemitter) from the bottom of the conduction band of the emisoter layer is the effective mass m* of the electron.
and the dielectric constant ε of the base layer at the emitter-base junction
Emin represented by s = (- 0.175)・13
.. 6m*/mo/ε, the inequality EF(Eemit
ter)> 1.3 |Emin|, and Eminota. The value ΔEo obtained by subtracting the band gap at the base-collector junction from the band gap at the base junction satisfies the inequality ΔEa > 2 | Emin il
It is characterized by operating at a temperature T of Eminl.

pnp型バイポーラトランジスタの動作方法としてはエ
ミソタ層の価電子帝の上端からのフェルミエネルギーE
F(Eemitter)が、ホールの有効質量m*とエ
ミッタ・ベース接合におけるベース層の比誘電率ε,で
表わされるEmin = (一0.175)・1 3.
6m*/mo/e,に関して不等式EF(Eemitt
er) > 1.3|Emin|を満足し、かつエミノ
タ・ベース接合におけるバンドギャップからベースコレ
クタ接合におけるバンドギャノプを差し引いた値八Eo
が、八Eo>2|Emin|なる不等式を満足するpn
p型のバイポーラトランジスタをポルツマン定数kBと
Eminで表わされる不等式kBT<+Emin1なる
温度Tで動作さぜることを特徴とする。
The operating method of a pnp bipolar transistor is to use the Fermi energy E from the top of the valence electron emitter in the emisota layer.
F (Eemitter) is expressed by the effective mass m* of the hole and the dielectric constant ε of the base layer in the emitter-base junction. Emin = (-0.175)·1 3.
6m*/mo/e, the inequality EF (Eemitt
er) > 1.3 |Emin|, and the value obtained by subtracting the band gap at the base-collector junction from the band gap at the eminota-base junction is 8Eo
is pn that satisfies the inequality 8Eo>2|Emin|
It is characterized in that a p-type bipolar transistor is operated at a temperature T such that the inequality kBT<+Emin1 is expressed by the Portzmann constant kB and Emin.

(実施例) 第1図は本発明の実施例で、上側はトランジスタの構造
の断面図、下側はハンド図を示す。まず構造とハンド図
によって基本原理を説明する。
(Embodiment) FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which the upper side shows a cross-sectional view of the structure of a transistor, and the lower side shows a hand diagram. First, we will explain the basic principle using the structure and hand diagram.

材料については後述する。The materials will be described later.

第1図の1. 2. 3は各々接合1・ランジスタのエ
ミソタ、ベース、コレクタである。4, 5, 6. 
7は各々エミノタ、ベース、ベースコレクタ空乏層、コ
レクタの伝導帯、4’, 5’, 6′,7′は各々同
一番号の列応ずる領域の価電子帯を示す。8はベースで
の正孔のフエルミレベル、10. 11は各々エミノタ
とベースでの電子の擬フェルミレベルである。ここでは
NPN l−ランシスタの例を示したが、以下の内容は
明らかな変更によってPNP I−ランジスタにも適用
される。
1 in Figure 1. 2. 3 are the emitter, base, and collector of the junction 1 and the transistor, respectively. 4, 5, 6.
7 indicates the conduction bands of the emitter, base, base collector depletion layer, and collector, respectively; 4', 5', 6', and 7' indicate the valence bands of the regions corresponding to the columns with the same numbers. 8 is the Fermi level of holes at the base, 10. 11 are the quasi-Fermi levels of electrons at the eminota and base, respectively. Although an example of an NPN I-transistor is given here, the following also applies, with obvious modifications, to a PNP I-transistor.

ここで具体的な構造の例を下表1にまとめて示第1図に
示していないが、表1ではエミソターベース間にエミッ
タハノファ層をはさんだ構造としている。これはエミソ
ターベース間に高濃度の不純物ドーピングを行っている
のでトンネル電流が流れないようにするだめのものであ
る。およそ300人以上の厚さがあれば十分である。又
コレクタにはN型コレクタ層の他に高濃度の導電層(n
型コレクター導電層)があって、コレクタ抵抗を下げる
ためのものである(第1図には示していない)。
Examples of specific structures are summarized in Table 1 below.Although not shown in FIG. 1, Table 1 shows a structure in which an emitter Hanofa layer is sandwiched between emitter bases. This is to prevent tunnel current from flowing since the emitter base is heavily doped with impurities. A thickness of about 300 people or more is sufficient. In addition to the N-type collector layer, the collector has a highly doped conductive layer (n
There is a type collector conductive layer (not shown in FIG. 1) for lowering the collector resistance.

次に本発明の八イポーラトランジスタの原理を説明する
。以下では極低温の場合を考えるが、式を簡単にするた
めにT=Oの時を考えることにする。この時エミッタか
らベースに注入された電’(M’b密度Jは次式で与え
られる。
Next, the principle of the octopolar transistor of the present invention will be explained. In the following, we will consider the case of extremely low temperatures, but to simplify the equation, we will consider the case when T=O. At this time, the electric current (M'b density J) injected from the emitter to the base is given by the following equation.

但し、qは電子の電荷、Pはベースでの電子の移動度、
Wはベース「1]、n(0)はエミソタペース接合でB の電子密度、m*はベースでの電子の有効質量、hはデ
イラックの定数(但しh=h/2n:hはブランクの定
数)、■はエミノタベース間バイアス電圧である。
However, q is the electron charge, P is the electron mobility at the base,
W is the base "1", n(0) is the electron density of B at the emisotapace junction, m* is the effective mass of electrons at the base, h is Dirac's constant (h=h/2n: h is a blank constant) , ■ is the eminotabase bias voltage.

ここで、■はエミソターからベースへの電子の注T 人が起こるためのしきい値電圧を表わす。先ず、J=0
の時は■=■ となる。ここでVToは第1図を示T 
   TO すようにベースの正孔のフエルミレベル8とエミソター
ベース接合における伝導帯の底9とのエネルギー差であ
る。ところでv>vToとなってベースへの電子の注入
が始まると、極低温では電子が縮退しているので、電子
間に量子力学的な交換相互作用が働らき電子のエネルギ
ーが下がる。そのエネルギー低下は電子の密度が高い程
大きいので、電流が流れている状態では、第1図の点線
12. 13のようになっている。このように伝導帯の
底のエネルギーが低下すると電子注入のためのエネルギ
ーのしきい値■は低下する。このVTの低下Eは次式で
T moは自由電子の質量、m*は有効質量、ε,は半導体
の誘電率、ε。は真空の誘電率である。このEによって
■1は次のように書ける。
Here, ■ represents the threshold voltage for electron injection from the emitter to the base to occur. First, J=0
When , ■=■. Here, VTo is T as shown in Figure 1.
TO is the energy difference between the fermi level 8 of the hole in the base and the bottom 9 of the conduction band in the emisoter base junction. By the way, when v>vTo and injection of electrons into the base begins, since electrons are degenerate at extremely low temperatures, quantum mechanical exchange interactions occur between the electrons and the energy of the electrons decreases. The higher the density of electrons, the greater the energy drop, so when current is flowing, dotted line 12 in Figure 1. It looks like 13. As the energy at the bottom of the conduction band decreases in this way, the energy threshold (2) for electron injection decreases. This VT decrease E is expressed by the following formula, where T mo is the mass of free electrons, m* is effective mass, and ε is the dielectric constant of the semiconductor, ε. is the dielectric constant of vacuum. Using this E, ■1 can be written as follows.

■1=vTo十Ex             (8)
このようなvTの低下によって電流が増加する。
■1=vTo1Ex (8)
This decrease in vT causes an increase in current.

一方このような伝導帯のエネルキー低下は第1図に示す
ようにベースでのバンドギャソプの勾配を低下させる。
On the other hand, such a reduction in the energy of the conduction band lowers the slope of the band gap at the base, as shown in FIG.

その効果は(1)式におけるベースでのビルトイン電圧
Δ■8の低下を招く。今J=00時のΔvBをΔ■Bo
とするとJ≠00時のΔVBは次式で与えられる。
This effect causes a decrease in the built-in voltage Δ■8 at the base in equation (1). ΔvB at J=00 now is Δ■Bo
Then, ΔVB when J≠00 is given by the following equation.

ΔV=ΔV  +E           (9)B 
     BO    x 以上注入された電子間の交換相互作用のみを考えたが、
電子と正孔間の交換相互作用、電子と不純物との相互作
用、ベースでの正孔と正孔の相互作用の影響は全て、注
入された電子電流依存性をもたないか、又は小さい。従
ってこれらの効果は全てvTo,vBoの中に含むこと
が出来る。
ΔV=ΔV +E (9)B
We considered only the exchange interaction between the electrons injected above BO x , but
The effects of exchange interactions between electrons and holes, interactions between electrons and impurities, and holes and holes at the base all have no or small dependence on the injected electron current. Therefore, all these effects can be included in vTo and vBo.

さて、以上の結果に数値例を与えよう。Now, let's give a numerical example to the above results.

p−1000cm /V−see, ε5/ε。−10
, W,=150OAを用い、m*/mO= 0.01
, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.
5, 0.6, 0.7, 0.8,0.9. 1と変
えた時のI−V特性を第2図に示す。表1に示した数値
例ではm*/mo=0.06の場合に相当する。第2図
でしきい値電圧vT以下で電流が観測され、負のトラン
スコンダクタンスが見られることが分がる。
p-1000cm/V-see, ε5/ε. -10
, W, = 150OA, m*/mO = 0.01
, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.
5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9. FIG. 2 shows the IV characteristics when the voltage is changed to 1. The numerical example shown in Table 1 corresponds to the case where m*/mo=0.06. In FIG. 2, it can be seen that a current is observed below the threshold voltage vT, and a negative transconductance is observed.

さて、本発明で述べた負性抵抗が起こる条件を規定しよ
う。先ず、エミソターの条件について述べる。エミッタ
ーでは電子が低温で縮退している必要がある。この条件
はドナーの波動関数が互いに重なって不純物ハンドを作
り、更に不純物バンドのエネルギーが伝導帯と重なって
いることが望ましい。その条件は大体ドナーのボーア半
径(6)式で決まる球面内にドナーが平均1ヶの割合で
存在す換相互作用による電子エネルギーの低下と電子の
運動エネルギーの増加との競合によって決まる。
Now, let us define the conditions under which the negative resistance described in the present invention occurs. First, let's talk about Emisotar's conditions. In the emitter, the electrons must be degenerate at low temperatures. As for this condition, it is desirable that the wave functions of the donors overlap each other to form an impurity hand, and that the energy of the impurity band overlaps with the conduction band. This condition is determined by the fact that one donor exists on average in the spherical surface determined by the Bohr radius of the donor (6), and the competition between the decrease in electron energy due to exchange interaction and the increase in the kinetic energy of the electrons.

となる。但しml.,*,εsoは各々エミソターの電
子の有より大きく、εSE’ε0が小さくなれば、ND
は更に高濃度が必要になる。又エミノターのハンドキャ
ンプがベースのバンドギャップよりも広く言わゆる広い
ギャノプのエミノターでなければならない。この条件は
大雑把に言ってハンド巾の差が0.1eV以上あれば十
分である。
becomes. However, ml. , *, εso are each larger than the presence of emisoter electrons, and if εSE'ε0 becomes smaller, ND
requires even higher concentrations. Also, the eminotar's hand camp must be a so-called Ganop eminotar with a wider bandgap than the base. Roughly speaking, this condition is sufficient if the difference in hand width is 0.1 eV or more.

次に負性抵抗が現れるためのベースの条件について述べ
よう。負性抵抗が現れるのはベースに少数キャリアの電
子が注入されると、電子の擬フエルミレベルが電流を流
し始める前のエミソターベース接合の伝導帯の底(第1
図の9)のエネルギーよりも低くなるからである。電子
の密度の増加による電子の擬フエルミレベルの変化は(
3)式による交で与えられる。全電子エネルギ E=Ek十Ex(12) はn(0)の関数として負の最小値一△Eを持つ、何故
かと言うとEkは正でn(0)の関数として単調増加、
Exは負で単調減少、且つ、n(0)の小さい領域では
Eが支配的で負で減少しn(0)が大きい領域ではE,
が支配的となって正の増加関数になるからである。この
一八Eが大体順方向バイアス■To以下に下がる大きさ
の程度になる。
Next, let's discuss the basic conditions for negative resistance to appear. Negative resistance appears when minority carrier electrons are injected into the base, and the quasi-Fermi level of the electrons is at the bottom of the conduction band (the first
This is because the energy is lower than the energy shown in 9) in the figure. The change in the pseudo-Fermi level of electrons due to the increase in electron density is (
3) It is given by the intersection of Eq. The total electron energy E=Ek×Ex(12) has a negative minimum value 1△E as a function of n(0), because Ek is positive and increases monotonically as a function of n(0).
Ex is negative and monotonically decreasing, and in the region where n(0) is small, E is dominant and negative and decreasing, and in the region where n(0) is large, E,
is dominant and becomes a positive increasing function. The magnitude of this 18E is approximately lower than the forward bias ■To.

以上のように絶対温度0度であれば負性抵抗はかならず
現れる。しかし現実には有限温度の場合しか実現出来な
いので動作温度を限定する必要がある。即ち kBT≦八E             (13)の温
度範囲であればやはり負性抵抗が現れる。但しkBはボ
ルッマン定数、Tは格子の絶対温度である。
As mentioned above, if the absolute temperature is 0 degrees, negative resistance will always appear. However, in reality, this can only be achieved at a finite temperature, so it is necessary to limit the operating temperature. That is, in the temperature range of kBT≦8E (13), negative resistance still appears. However, kB is the Borckmann constant, and T is the absolute temperature of the lattice.

次にベースのハンドギャップ勾配の条件を考える必要が
ある。ペースエミソター接合での伝導帯の底が(3)式
のEによって低下することは、ベースのバンドギャップ
勾配による電界が弱まることに等しい。このような効果
が電流を流れに<<シないためにはベースのバンドギャ
ノプのエミノタ側接合での値とコレクター側接合での値
の差ΔvBが、電子のエネルギーE(11(式))の極
小値の絶夕1値ΔEに対して十分大きくなければならな
い qΔ■B>ΔE 大きさの範囲としてはqΔ■3≧2八Eで良いであろつ
0 さらに詳し< J−V特性の負性抵抗について第2図を
参照してその機構を明確に定義しておこう。今NPN}
ランジスタについて説明する。エミツターからベースに
注入された電子の注入がない時のエミッターベース接合
における伝導帯の底から測つた指定フェルミレベルは運
動エネルギーに、電子が注入された時の伝導帯の底の低
下(3)式を加えた但しエネルギーの単位はR*単位と
する。ここで第y 1項が運動エネルギーの項、第2項、第3項が(3)式
からの寄与である。rは(5)式によって注入された電
子密度n(0)の減少関数である(9)式はn(0)の
関数としてn(0)が小さい領域ではrsが太き<EF
は殆ど0に近くではrが更に小さくなって第1項が段々
支配的になりEFは極小を経て増加関数となりやがて正
になる。EFのn(0)に対する変化を第3図に示す。
Next, we need to consider the conditions for the base hand gap slope. Lowering the bottom of the conduction band in the pace emisoter junction by E in equation (3) is equivalent to weakening the electric field due to the bandgap gradient of the base. In order to prevent such an effect from causing a current to flow, the difference ΔvB between the value at the eminota side junction of the base band ganop and the value at the collector side junction must be the minimum of the electron energy E (11 (formula)). Must be sufficiently large for the absolute value ΔE qΔ■B > ΔE As for the size range, qΔ■3≧28E should be sufficient 0 More details < Negative resistance of J-V characteristic Let us clearly define the mechanism with reference to Figure 2. NPN now}
The transistor will be explained. The designated Fermi level measured from the bottom of the conduction band at the emitter-base junction when no electrons are injected from the emitter to the base is the kinetic energy, and the decrease in the bottom of the conduction band when electrons are injected using the equation (3). However, the unit of energy is R* unit. Here, the y-th term is the kinetic energy term, and the second and third terms are contributions from equation (3). r is a decreasing function of the electron density n(0) injected by equation (5). Equation (9) is a function of n(0), and in the region where n(0) is small, rs is thick <EF
When is close to 0, r becomes even smaller, the first term becomes increasingly dominant, and EF becomes an increasing function after passing through a minimum, and eventually becomes positive. FIG. 3 shows the change in EF with respect to n(0).

このようにEFが注入がない時のエミッタベース接合で
の伝導帯の底に対して負になることが第2図のJ−V特
性に負性抵抗が現れる原因である。(9)式はr =5
.27の時極小値EF= Em,n= − 0.175
R,*になる。
The fact that EF becomes negative with respect to the bottom of the conduction band at the emitter-base junction when no injection is present is the reason why negative resistance appears in the J-V characteristic shown in FIG. Equation (9) is r = 5
.. 27, minimum value EF = Em, n = - 0.175
It becomes R, *.

以上温度T−0(ケルビン)を考えたが、有限温度Tで
はフェルミレベルの温度によるボケを考えなければなら
ない。この場合負性抵抗を現れにくくするが、負性抵抗
が現れる温度範囲は kBT<4|Emin|  (kBはボルッマン定数)
  (15)にあれば良い。
The temperature T-0 (Kelvin) has been considered above, but at a finite temperature T, blurring due to Fermi level temperatures must be considered. In this case, negative resistance is less likely to appear, but the temperature range in which negative resistance appears is kBT<4 |Emin| (kB is Borckmann's constant)
(15) is fine.

ベースバンドギャップ勾配によるエミッタベース接合に
おけるバンドギャノプとコレクタベース接合でのハンド
ギャソプの差八Eoは注入による伝導帯の低下のために
減少し、バンドギャソプ勾配による加速電界が減少する
。しかし次の式ΔEa>2|Emin|       
     (16)を満足していればその影響は小さい
The difference Eo between the band gap at the emitter-base junction and the hand gap at the collector-base junction due to the base bandgap gradient decreases due to the lowering of the conduction band due to the implantation, and the accelerating electric field due to the band gap gradient decreases. However, the following formula ΔEa>2 |Emin|
If (16) is satisfied, the effect is small.

第4図はNPN}ランジスターの構造例である。トラン
ジスタはN型のコレクタInGaAsl4. 15とP
ベース16と、Nエミッタ−17. 18から形成され
ている。
FIG. 4 shows an example of the structure of an NPN transistor. The transistor has an N-type collector InGaAsl4. 15 and P
base 16, and N emitter 17. It is formed from 18.

Pベース16はエミッター側からコレクター側にGaと
AIの組成がInGao.s.A1o 1.ASからI
nGaAsまで連続的に変っていて、バンドギャノプは
0.85eV(エミノタベース接合)から0.75eV
(ベースコレクタ接合)まで変化している。またエミソ
タ18はInAIAs 2 X 1019cm  濃度
のn型でエミッタパソファ層17はGaとA1の組成が
18との境界からベースとの接合に向ってInAIAs
からInGao8.A1o1.Asまで連続的に変えて
あり、n型で3X10 cm  である。これによって
エミツタのバンドギャップは18の〜1.45eVから
ベースとの接合での0.85eVまで変化している。又
ドナアクセプターのドーピングと各層の厚さは図面に示
した。この構造ではエミソターからベースに注入された
電子の有効質は0.05m。であり、第2図によれば負
性抵抗が実現することが出来る。
The P base 16 has a composition of Ga and AI from the emitter side to the collector side. s. A1o 1. AS to I
It changes continuously up to nGaAs, and the band gap is from 0.85 eV (eminotabase junction) to 0.75 eV.
(base collector junction). The emitter layer 18 has an n-type concentration of InAIAs 2 × 1019 cm, and the emitter path layer 17 has a composition of Ga and A1 of InAIAs from the boundary with the base 18 toward the junction with the base.
From InGao8. A1o1. It is changed continuously up to As, and is 3×10 cm in n type. This changes the bandgap of the emitter from ~1.45 eV at 18 to 0.85 eV at the junction with the base. Also, the doping of the donor acceptor and the thickness of each layer are shown in the drawings. In this structure, the effective quality of electrons injected from the emisotar to the base is 0.05m. According to FIG. 2, negative resistance can be realized.

実際に30K〜0.1Kの間の各種温度に下げて第4図
の構造のトランジスタを動作させた時にエミノタベース
間にかける電圧が、しきい値電圧V に対しTO て数mV程度とごくわずかの電圧でも10 A/cmオ
ーダーの電流が観測された。なお、30K〜0.1Kの
低温はネオンまたは水素、ヘリウム(He3とHe4の
混合溶液)の減圧によって得た。InAIAs−InG
ao8.AIo1.As層l7はペースエミッタ間にト
ンネル電流が流れるのを防ぐためのエミッタバッファ層
である。
In fact, when operating a transistor with the structure shown in Figure 4 at various temperatures between 30K and 0.1K, the voltage applied across the eminotabase is very small, on the order of a few mV with respect to the threshold voltage V. Even with regard to voltage, a current of the order of 10 A/cm was observed. Note that a low temperature of 30K to 0.1K was obtained by reducing the pressure of neon, hydrogen, or helium (a mixed solution of He3 and He4). InAIAs-InG
ao8. AIo1. The As layer 17 is an emitter buffer layer for preventing tunnel current from flowing between pace emitters.

次に第2の実施例として第4図と同様の半導体の構成で
エミッタとコレクタをP型不純物をドープし、ベースに
N型不純物をドープしたPNP}ランシスタを考える。
Next, as a second embodiment, consider a PNP transistor having a semiconductor structure similar to that shown in FIG. 4, in which the emitter and collector are doped with P-type impurities, and the base is doped with N-type impurities.

バンド構造はホールのエネルギーの方向を上向きにとれ
ば第3図の場合と変わらない。この時、エミッターから
正孔がベースに注入される。ベースにおける正孔の有効
質量は正確な値は不明であるが、InAs, GaAs
, AIAsの重い正孔の有効質量が各々0.41m。
The band structure is the same as in Figure 3 if the direction of hole energy is directed upward. At this time, holes are injected from the emitter into the base. Although the exact value of the effective mass of holes in the base is unknown, InAs, GaAs
, the effective masses of heavy holes in AIAs are each 0.41 m.

, 0.45mo, 0.22m。であるから大体0.
3〜0.4.mo位の値であろう。第2図によるとnp
n hランジスタより顕著な負性抵抗が見られる。
, 0.45mo, 0.22m. Therefore, it is approximately 0.
3-0.4. It would be the value of mo. According to Figure 2, np
A more significant negative resistance is seen than in the nh transistor.

一般に狭いバンドギャップのIILV族半導体でNPN
とPNPを比べると同様のことが言える。従ってPNP
トランジスターで式(11)で与えられる低温で且つ式
(12)を満足するベースバンドギャソプ勾配があれば
、式(3)によるキャリャーエネルギーの低下の効果に
よって負性抵抗がNPN型よりも顕著に見られる。
NPN is generally a narrow bandgap IILV group semiconductor.
The same thing can be said when comparing PNP and PNP. Therefore PNP
If the transistor is at a low temperature given by equation (11) and has a baseband gassop slope that satisfies equation (12), the negative resistance will be more pronounced than that of the NPN type due to the effect of lowering carrier energy according to equation (3). seen in

(発明の効果) コレクター電流がエミッタベース間のハイアス関数とし
て負性抵抗となり、しかも低温動作が可能なので、低電
流域で高速のバイボーラ回路が実現出来る。
(Effects of the Invention) Since the collector current becomes a negative resistance as a high-ass function between the emitter and base, and low-temperature operation is possible, a high-speed bibolar circuit can be realized in a low current range.

図はトランジスタのコレクタ電流密度とエミッタベース
間電圧との関係を示す図、第3図はフェルミエネルギー
と電子密度の関係を示す図、第4図はnpn}ランジス
タの断面構造。
The figure shows the relationship between collector current density and emitter-base voltage of a transistor, FIG. 3 shows the relationship between Fermi energy and electron density, and FIG. 4 shows the cross-sectional structure of an npn transistor.

図において、1・・・エミツタ、2・・・ベース、3・
・・コレクタ、4・・・エミソタの伝導帝の底、5・・
・ベースの伝導帯の底、6・・・コレクタエミソタ空乏
層、7・・・コレクタの伝導帯の底、4′,5”6+,
 T・・・同じ番号の領域の価電子帯の上端、8・・・
正孔のフェルミレベル、9・・・エミッタベース接合で
の伝導帯の底、]−0.11・・・エミノタベースでの
電子の擬フェルミ準位、12. 13・・・電子間交換
相互作用を考えた時のエミッタ、ベースにおける伝導帯
の底、14・・・コレクタ導電層(In.GaAs)、
15−・・コレクタ層(丁nGaAs)、16−・・ベ
ース層(InGa Al1?As)、17・・・エミッ
タ八ソファ層(InGa Al■−xAs)、18−・
・エミノタ層(InAIAs)。
In the figure, 1...emitter, 2...base, 3...
...Collector, 4...Emisota's Contribution Emperor's Bottom, 5...
・Base conduction band bottom, 6...Collector emisota depletion layer, 7...Collector conduction band bottom, 4', 5''6+,
T...The upper end of the valence band in the region with the same number, 8...
Fermi level of hole, 9...bottom of conduction band at emitter-base junction, ]-0.11...pseudo-Fermi level of electron at emitter-base, 12. 13... Bottom of conduction band in emitter and base when considering electron exchange interaction, 14... Collector conductive layer (In.GaAs),
15--Collector layer (GaAs), 16--Base layer (InGa Al1?As), 17--Emitter layer (InGa Al-xAs), 18--
- Eminota layer (InAIAs).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)エミッタ層の伝導帯の底からのフェルミエネルギー
E_F(Eemitter)が、電子の有効質量m^*
と真空中の電子の質量m_0とエミッタ・ベース接合に
おけるベース層の比誘電率ε_sで表わされるEmin
=(−0.175)・13.6(m^*/m_0)/ε
_s^2に関して不等式E_F(Eemitter)>
1.3|Emin|なる式を満足し、かつエミッタ・ベ
ース接合におけるバンドギャップからベースコレクタ接
合におけるバンドギャップを差し引いた値ΔE_Gが、
ΔE_G>2|Emin|なる不等式を満足しベースエ
ミッタ間に層厚100Å以上でかつ10^1^6〜10
^1^8cm^−^3の不純物濃度を有し、エミッタ層
と同電導型のエミッタバッファ層を有することを特徴と
するnpn型のバイポーラトランジスタ。 2)エミッタ層の価電子帯の上端からのフェルミエネル
ギーE_F(Eemitter)が、ホールの有効質量
m^*とエミッタ・ベース接合におけるベース層の比誘
電率ε_sで表わされるEmin=(−0.175)・
13.6m^*/m_0/ε_s^2に関して不等式E
_F(Eemitter)>1.3|Emin|を満足
し、かつエミッタ・ベース接合におけるバンドギャップ
からベースコレクタ接合におけるバンドギャップを差し
引いた値ΔE_Gが、ΔE_G>2|Emin|なる不
等式を満足し、ベースエミッタ間に層厚100Å以上で
かつ10^1^6〜10^1^8cm^−^3の不純物
濃度を有し、エミッタ層と同電導型のエミッタバッファ
層を有することを特徴とするpnp型のバイポーラトラ
ンジスタ。 3)エミッタ層の伝導帯の底からのフェルミエネルギー
E_F(Eemitter)が、電子の有効質量m^*
とエミッタ・ベース接合におけるベース層の比誘電率ε
_sで表わされるEmin=(−0.175)・13.
6m^*/m_0/ε_s^2に関して不等式E_F(
Eemitter)>1.3|Emin|なる式を満足
し、かつエミッタ・ベース接合におけるバンドギャップ
からベースコレクタ接合におけるバンドギャップを差し
引いた値ΔE_Gが、ΔE_G>2|Emin|なる不
等式を満足するnpn型のバイポーラトランジスタをボ
ルツマン定数k_BとEminで表わされる不等式k_
BT<1/2|Emin|なる温度Tで動作させること
を特徴とするバイポーラトランジスタの動作方法。 4)エミッタ層の価電子帯の上端からのフェルミエネル
ギーE__F(Eemitter)が、ホールの有効質
量m^*とエミッタ・ベース接合におけるベース層の比
誘電率ε_sで表わされるEmin=(−0.175)
・13.6m^*/m_0/ε_s^2に関して不等式
E_F(Eemitter)>1.3|Emin|を満
足し、かつエミッタ・ベース接合におけるバンドギャッ
プからベースコレクタ接合におけるバンドギャップを差
し引いた値ΔE_Gが、ΔE_G>2|Emin|なる
不等式を満足するpnp型のバイポーラトランジスタを
ボルツマン定数k_BとEminで表わされる不等式k
_BT<1/2|Emin|なる温度Tで動作させるこ
とを特徴とするバイポーラトランジスタの動作方法。
[Claims] 1) The Fermi energy E_F (Eemitter) from the bottom of the conduction band of the emitter layer is the effective mass of the electron m^*
Emin is expressed by the mass of electrons in vacuum m_0 and the relative dielectric constant ε_s of the base layer in the emitter-base junction.
=(-0.175)・13.6(m^*/m_0)/ε
Inequality E_F (Eemitter) with respect to _s^2>
1.3 |Emin| and the value ΔE_G obtained by subtracting the band gap at the base-collector junction from the band gap at the emitter-base junction is
The inequality ΔE_G>2|Emin| is satisfied, the layer thickness between base and emitter is 100 Å or more, and 10^1^6 to 10
An npn type bipolar transistor having an impurity concentration of ^1^8 cm^-^3 and having an emitter buffer layer of the same conductivity type as the emitter layer. 2) The Fermi energy E_F (Eemitter) from the upper end of the valence band of the emitter layer is expressed by the effective mass of the hole m^* and the dielectric constant ε_s of the base layer at the emitter-base junction.Emin=(-0.175 )・
Inequality E regarding 13.6m^*/m_0/ε_s^2
_F(Eemitter)>1.3|Emin|, and the value ΔE_G obtained by subtracting the band gap at the base collector junction from the band gap at the emitter-base junction satisfies the inequality ΔE_G>2|Emin|, and the base A pnp type layer having a layer thickness of 100 Å or more between the emitters, an impurity concentration of 10^1^6 to 10^1^8 cm^-^3, and an emitter buffer layer of the same conductivity type as the emitter layer. bipolar transistor. 3) The Fermi energy E_F (Eemitter) from the bottom of the conduction band of the emitter layer is the effective mass of the electron m^*
and the dielectric constant ε of the base layer at the emitter-base junction
Emin represented by _s=(-0.175)・13.
6m^*/m_0/ε_s^2 inequality E_F(
npn type in which the value ΔE_G obtained by subtracting the band gap at the base-collector junction from the band gap at the emitter-base junction satisfies the inequality ΔE_G>2|Emin| The bipolar transistor is defined by the Boltzmann constant k_B and the inequality k_B expressed by Emin.
A method of operating a bipolar transistor characterized by operating it at a temperature T such that BT<1/2 |Emin|. 4) The Fermi energy E__F (Eemitter) from the upper end of the valence band of the emitter layer is expressed by the effective mass of the hole m^* and the dielectric constant ε_s of the base layer at the emitter-base junction.Emin=(-0.175 )
・For 13.6m^*/m_0/ε_s^2, the inequality E_F(Eemitter)>1.3|Emin| is satisfied, and the value ΔE_G obtained by subtracting the bandgap at the base-collector junction from the bandgap at the emitter-base junction is , ΔE_G>2|Emin|
A method of operating a bipolar transistor characterized by operating it at a temperature T such that _BT<1/2|Emin|.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011003840A (en) * 2009-06-22 2011-01-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Hetero-junction bipolar transistor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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