[发明专利]具有降低的1/F噪声的双极晶体管及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及双极晶体管，且特定来说涉及一种用于减少此类晶体管中的低频噪声的技术。

背景技术

在横向双极晶体管中，相比于垂直晶体管，大多数电流在硅的表面附近流动而非垂直向下流动到硅中。

图1是典型横向PNP双极晶体管10的简化横截面图。中心P型射极12形成于在硅衬底上生长的N型基极14(外延桶)中。环绕射极12的是形成为其可为大体矩形或圆形的环的P型集极16。基极接触区18与基极14进行电接触。为了接通晶体管10，相对于基极14正向偏置射极12，且相对于基极14反向偏置集极16。从射极12进入耗尽区的载流子(空穴)由电场扫掠到集极16中，从而导致基极电流的放大(增益)。所述晶体管在一频率范围内操作，且由于装置物理性质而在经放大信号中固有地出现噪声。一般来说，噪声以极低频率增加。

硅的结晶结构实现此晶体管操作。低频噪声(也称为1/f噪声)的一种造成因素是由于作为结晶结构在基极的表面处于基极-射极界面及基极-集极界面之间不连续的结果的表面缺陷所致。此1/f噪声对在低频率下的最小可检测信号设定了限制。

表面缺陷增加基极中在表面附近的载流子的重组，其中电子带结构改变。据信此是由于表面附近的结晶结构中的缺陷导致的电荷陷阱所致。

在图1的实例中，由于表面缺陷，从射极12进入基极14的与基极14中的电子重组的空穴的百分比在基极14的表面附近增加。在横向双极晶体管中，大部分射极-集极电流20在所述表面附近流动，因为射极及集极掺杂区为相对浅的。因此，表面缺陷的效应是显著的。噪声为什么是1/f相关的原因在各种出版的论文中被广泛地讨论且是众所周知的。

在一些垂直双极晶体管中表面缺陷问题也会在小得多的程度上出现，因为射极-基极界面的一部分是在硅的表面附近。在此类晶体管中，一些电流在基极中表面附近横向流动。在表面附近发生的此横向流动受表面缺陷影响，从而导致1/f噪声。

对于各种应用(例如测试设备、数据获取及A/D转换器)来说，期望降低1/f噪声转角。1/f转角是1/f噪声下降以满足白噪声电平之处。

发明内容

本发明排斥基极区中在基极区表面附近的少数载流子(例如，对于N型基极，为空穴)以致使在所述表面下方较远处于射极与集极区之间发生横向电流流动以减轻射极与集极区之间的表面缺陷的效应。

在基极表面区上方于射极与集极之间形成例如小于600埃的薄栅极氧化物。所述薄栅极氧化物应具有最少移动电荷且为极高质量，例如热生长的氧化物。接着在所述栅极氧化物上方形成例如掺杂多晶硅的导电栅极并将其偏置于射极电压(或对于PNP晶体管，为比基极更正的其它电压)下。

在PNP晶体管的实例中，当相对于基极正向偏置射极以接通所述晶体管时，栅极相对于基极处于正电位。此致使基极中在表面附近的传导射极-集极电流的空穴被排斥而远离所述表面且致使所述基极中的电子被吸引到基极表面，使得较远离所述表面来执行传导(空穴电流)。因此，表面处存在较少由于表面缺陷所致的重组，且减少了1/f噪声。因此，降低了1/f转角。

此技术也适用于横向NPN晶体管。在PNP或NPN晶体管中，栅极的电场排斥基极的在基极表面附近的少数载流子以致使较多横向电流较深地流动到硅中以减轻表面缺陷的效应。

通过制作高质量栅极氧化物，所述氧化物中将存在最少将影响基极中的少数载流子的排斥的移动电荷，且所述栅极氧化物可形成为极薄以产生高电场，但具有足够高的击穿电压。一般来说，等离子生长的栅极氧化物并非合意的，因为作为等离子工艺的结果此氧化物通常包含移动电荷。

不存在对栅极氧化物的薄度的较低限制，其在不击穿的情况下耐受跨越栅极氧化物的电压的能力除外。

本发明还描述其它实施例。

附图说明

图1是现有技术横向PNP双极晶体管的横截面图。

图2是根据本发明的一个实施例的横向PNP双极晶体管的横截面图。

图3是图2的晶体管的俯视图。

以相同编号标示相同或等效的元件。

具体实施方式

本发明减少横向或垂直双极晶体管中引起1/f噪声的表面效应。本发明适用于PNP及NPN晶体管。在实例中使用横向PNP晶体管。在垂直晶体管操作涉及在基极表面附近的某一横向电流流动的条件下，本发明适用于垂直双极晶体管。