In this thesis, modeling of InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistors (SHBTs) has been presented. Also, the thermal characteristics of InP/InGaAs SHBTs have been discussed.
The small-signal model parameters of InP/InGaAs SHBTs were extracted and optimized at various bias operating conditions such as the cut-off, open-collector and active mode. To verify the small-signal model, the multi-bias S-parameter measurements under active mode bias conditions were performed, and the good agreement between the measured and modeled data was obtained at various bias conditions.
The thermal characteristics of InP/InGaAs SHBTs have been analyzed and discussed on the theoretical and experimental results. In order to investigate the contribution of impact ionization and built-in potential reduction effects to thermal behavior of the devices, the thermal related parameters, such as temperature dependence of impact ionization multiplication factor, thermal-electric feedback coefficient and thermal resistance, were extracted. Using these extracted parameters, the built-in potential reduction and impact ionization effects in the common-emitter I-V characteristics of InP/InGaAs SHBTs have been analyzed.
Based on the results obtained in thermal characteristics of InP SHBTs, a new large-signal model of InP/InGaAs SHBTs has been developed which includes self-heating and impact ionization effects. The self-heating and impact ionization effects observed from the InP-based SHBTs have been modeled through a macro modeling approach. The dependence of impact ionization on VCB and junction temperature has been modeled using a feedback current source and a temperature dependent voltage source. The model implemented in HP-ADS has been verified by comparing the measured and simulated data. Good agreement between the measured and simulated data has been achieved in the overall device performance of dc, multi-bias small-signal S-parameter and large-signal microwave power characteristics.
본 논문에서는 초고주파 회로에 사용되는 화합물 반도체 능동소자인 InP/InGaAs 단일 이종접합 트랜지스터 (SHBTs)의 열효과와 Impact ionization 효과를 포함한 대신호 모델을 제안하였다. InP/InGaAs SHBTs의 소신호 모델 파라미터를 cut-off, open-collector, active 모드에서 추출하고 최적화 하였다. 소신호 모델의 정확성을 확인하기 위해서, active 모드에서 다양한 바이어스 조건에서의 S-parameter를 측정하였고, 측정된 결과와 모델된 결과를 비교함으로써, 모델의 정확성을 확인할 수 있었다.
다른 화합물 반도체와는 다르게 InP/InGaAs Single HBT의 경우, base-collector junction이 0.75 eV의 narrow band-gap으로 이루어져 있어, 소자가 동작하는 active mode에서 reverse bias인 base-collector junction에서 impact ionization이 발생한다. 이러한 효과로 인해, DC I-V characteristics에서 collector current의 soft-breakdown 현상이 발생한다. 또한, collector와 sub-collector의 layer로 사용되는 InGaAs의 적은 thermal conductivity로 인해 낮은 바이어스 조건에서도 열효과가 발생한다. 이러한 InP/InGaAs SHBT의 impact ionization 효과와 열효과를 분석하기 위해서, impact ionization multiplication factor (M), 열-전기적 궤환 상수, 열저항 등을 추출하였다. 이러한 추출된 파라미터를 이용하여 InP/InGaAs SHBT의 common-emitter I-V 특성에서의 열효과와 impact ionization 효과를 분석하였다.
InP SHBT의 열현상에서 얻어낸 결과로부터, 열효과와 impact ionization 효과를 포함한 새로운 InP/InGaAs SHBT의 대신호 모델을 제안하고 구현하였다. 제안된 모델은 매크로 모델를 사용하여 구현되었으며, impact ionization의 VCB와 junction 온도에 대한 영향을 전류 소스와 전압 소스를 이용하여 모델하였다. 측정된 결과와 모델된 결과를 비교하기 위해서, 모델은 HP-ADS 기반으로 구현되었다. 제안된 대신호 모델은 DC, multi-bias 소신호 S-parameter, 대신호 마이크로웨이브 전력 특성 전체에서 실제 소자의 특성과 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
