BJT 与 SiGe HBT 的 Gummel测试：电流增益、输出特性及温度影响

半导体参数分析仪对双极型晶体管（BJT）最有代表性的测试包括Gummel 曲线、共射极输出特性和直流电流增益。对SiGe异质结双极型晶体管（HBT），这些测量还能用于比较不同偏置与温度下的电流注入和非理想行为。但要回答这些问题，必须先控制三端偏置，避免将直流增益与射频性能混淆。

1. 三端连接和两类测试模式

NPN BJT 的三个电极为基极B、集电极 C和发射极 E。典型多端参数测试使用三路SMU 分别控制、监测电极电压与电流，记录V_BE、V_CE、I_B与 I_C。在设计测试程序时，需明确V_CB = V_CE − V_BE；其中Gummel 可以选择 V_CB = 0，也可以设定其他集电结偏置。两种设置得到的数据不能直接比较。

图1.NPN BJT 多端 I–V 与Gummel 测试连接示意，非设备固定配置图。

2. Gummel 图如何读？

Gummel 图通常在横轴给出V_BE，以半对数纵轴展示|I_C| 与|I_B|。在合适的低注入正向工作区，电流可近似表现为指数变化；在低电流区与高电流区，结漏电、复合、串联电阻和高注入等因素会使曲线偏离简单模型。观察两条曲线的相对位置和斜率，有助于划定需要重点分析的偏置范围，但不能仅凭曲线变化确定某一种缺陷或电荷传输机制。

图2.同步测量集电极与基极电流的示意，非实测数据。

3. 输出曲线能说明什么？

共射极输出测试在不同 I_B条件下扫描 V_CE，得到I_C–V_CE 曲线族。低压区可涉及饱和，正向有源区中I_C 随 V_CE的缓慢变化可结合 Early效应分析。指定偏置下的输出电导可表示为 g_o = (∂I_C/∂V_CE)|_{I_B}，输出电阻是其倒数。表观Early电压需要明确拟合电流区间和模型，不能根据曲线一小段任意外推。

图3.不同基极电流条件下的输出曲线示意。

4. β–I_C 比单个 β数字更有意义

直流电流增益在同一工作点定义为 β_DC = |I_C| / |I_B|，由两路实测电流计算得到。由于基极电流及内部寄生的工作点依赖，β通常不是一个可脱离偏置单独报告的常数。建议以β–I_C 曲线给出增益随电流变化的区间，并同时说明V_CE 或V_CB、温度以及器件有效发射极面积。

图4.不同电流区间的 β变化示意，并非所有器件都遵循这一曲线形状。

5. SiGe HBT 的低温应用

SiGe HBT 与高速BiCMOS、低温放大和量子计算辅助读出电子学相关。2025年 Benserhir 等人的研究对SiGe HBT 从室温至约4 K 的直流、射频与噪声特性进行了测量，证明了同时记录Gummel、电流增益及温度条件的重要性；论文中的具体数值只适用于其测试器件与偏置。

图5.仅演示温度比较方法，非论文数据复刻；温度导致的曲线移动方向取决于具体器件。

6. 测试规范与结论限制

建议同时记录端口连接、电压与电流正方向、V_CB/V_CE、扫描速度与等待时间、量程和顺从限制、温度及散热条件。Gummel、β–I_C与输出曲线可用于判断直流电学特性，却不能直接测得f_T 或f_max；频率特性需要额外射频测试。

图6.数据比较前的测试条件记录要点。

7. 相关设备

FluxDancer是一款模块化半导体参数分析仪，用于先进器件的低噪声直流、CV、阻抗、快速脉冲和噪声测试。系统融合SMU、电流表、电压表、LCR表及开关矩阵，主要用于建立统一、可扩展的电学表征测量流程。适用于FET、BJT、太阳能电池、发光器件及功率器件研发。宽禁带半导体、功率器件、低维晶体管和新型存储器件要求同时测量静态IV、CV、低频噪声、快速脉冲与偏压应力。FluxDancer适合研究接触电阻、陷阱态、迟滞、自热效应和可靠性退化，并支持按课题增加通道与测量模块。

(1)支持IV、CV、阻抗、噪声、IV-t、4PP及多类器件专用测试。

(2) 电流分辨率达到10 fA（弱电流分辨能力达0.1fA）、电压分辨率达到100 nV，电压范围-200 V至200 V。

(3) 支持1.8 MS/s高速采集、±3 A脉冲电流以及Super-PIV（50 μs-ns级高速模块）等快速脉冲测量。

(4) 支持Solar cell、FET、BJT、EL、1/f噪声等应用流程，可按通道和功能模块扩展。

(5)应用软件可针对FET、BJT、太阳能电池、EL进行系统测试，减少重复编程和人工换线。

FluxDancer

参考资料

[1] Keysight B1500A Semiconductor Device Parameter Analyzer，官方应用测试项目：https://www.keysight.com/us/en/product/B1500A/semiconductor-device-parameter-analyzer-system-mainframe.html.

[2] Tektronix/Keithley Model 4200A-SCS Clarius User Manual (2026)：https://www.tek.com/en/manual/parametric-analyzer/model-4200a-scs-clarius-user-manual-4200a-scs-parameter-analyzer.

[3] Benserhir J. et al., IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2025. DOI: 10.1109/JEDS.2025.3595576.

[4] Naik N. R. et al., 2024, CaltechAUTHORS：https://authors.library.caltech.edu/records/033w8-dx774.