雙極型晶體管及相資料

1、2021/3/141 雙極型晶體管及相關(guān)器件 2021/3/142 本章內(nèi)容 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 可控硅器件及相關(guān)功 2021/3/143 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管(bipolar transistor)的結(jié)構(gòu) 雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一,在高速電路、模擬電路 、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆 參與導(dǎo)通過(guò)程的半導(dǎo)體器件,由兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)所組成,其結(jié)構(gòu)可 為p-n-p或n-p-n的形式。 如圖為一p-n-p雙極型晶體管 的透視圖,其制造過(guò)程是以p型半 導(dǎo)體為

2、襯底,利用熱擴(kuò)散的原理 在p型襯底上形成一n型區(qū)域,再 在此n型區(qū)域上以熱擴(kuò)散形成一高 濃度的p型區(qū)域,接著以金屬覆 蓋p、n以及下方的p型區(qū)域形成 歐姆接觸。 2021/3/144 雙極晶體管工作原理 圖(a)為理想的一維結(jié)構(gòu)p-n-p雙極型晶體管,具有三段不同摻雜濃度的 區(qū)域,形成兩個(gè)p-n結(jié)。濃度最高的p區(qū)域稱(chēng)為發(fā)射區(qū)(emitter,以E表示); 中間較窄的n型區(qū)域,其雜質(zhì)濃度中等,稱(chēng)為基區(qū)(base,用B表示),基區(qū)的 寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度;濃度最小的p型區(qū)域稱(chēng)為集電區(qū) (collector,用C表示)。 圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電 路符號(hào),圖中亦顯示各電流成分

3、和電 壓極性,箭頭和“十”、“一”符號(hào)分別 表示晶體管在一般工作模式(即放大 模式)下各電流的方向和電壓的極性 ,該模式下,射基結(jié)為正向偏壓(VEB 0),而集基結(jié)為反向偏壓(VCB0) 2021/3/145 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管工作在放大模式 圖(a)是一熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)下的理想pn- p雙極型晶體管,即其三端點(diǎn)接在三端點(diǎn)接在 一起一起,或者三端點(diǎn)都接地或者三端點(diǎn)都接地,陰影區(qū) 域分別表示兩個(gè)p-n結(jié)的耗盡區(qū)。圖 (b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度, 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大,基 區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低,但高于集電區(qū) 濃度。圖4.3(c)表示耗盡區(qū)

4、的電場(chǎng)強(qiáng) 度分布情況。圖(d)是晶體管的能帶 圖,它只是將熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié) 能帶直接延伸,應(yīng)用到兩個(gè)相鄰的耦 合p-n結(jié)與n-p結(jié)。 2021/3/146 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管工作在放大模式 圖(a)為工作在放大模式下的共 基組態(tài)p-n-p型晶體管,即基極被輸 入與輸出電路所共用,圖(b)與圖(c) 表示偏壓狀態(tài)下電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度 分布的情形,與熱平衡狀態(tài)下比較, 射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄,而集基而集基 結(jié)耗盡區(qū)變寬結(jié)耗盡區(qū)變寬。圖(d)是晶體管工作 在放大模式下的能帶圖,射基結(jié)為正 向偏壓,因此空穴由空穴由p發(fā)射區(qū)注入發(fā)射

5、區(qū)注入 基區(qū)基區(qū),而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。 2021/3/147 雙極型晶體管的工作原理 在理想的二極管中理想的二極管中,耗盡區(qū)耗盡區(qū) 將不會(huì)有產(chǎn)生將不會(huì)有產(chǎn)生-復(fù)合電流復(fù)合電流,所以由所以由 發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到 發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。 而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài)而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài), 因此將有一反向飽和電流流過(guò)此因此將有一反向飽和電流流過(guò)此 結(jié)結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí),由發(fā) 射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散 通過(guò)基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū) 邊緣,并在集基偏壓的作用下通 過(guò)集電區(qū)。此種輸運(yùn)機(jī)制便

6、是注 射載流子的“發(fā)射極“以及收集鄰 近結(jié)注射過(guò)來(lái)的載流子的“集電極” 名稱(chēng)的由來(lái)。 2021/3/148 雙極型晶體管的工作原理 如果大部分入射的空穴都沒(méi)有與 基區(qū)中的電子復(fù)合而到達(dá)集電極,則 集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射 極空穴電流。 可見(jiàn),由鄰近的射基結(jié)注射過(guò)來(lái) 的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)造成大 電流,這就是晶體管的放大作用放大作用,而 且只有當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)才會(huì)只有當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)才會(huì) 發(fā)生發(fā)生,因此此兩結(jié)被稱(chēng)為交互p-n結(jié)。 相反地,如果此兩p-n結(jié)距離太遠(yuǎn),所 有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合 而無(wú)法到達(dá)集基區(qū),并不會(huì)產(chǎn)生晶體 管的放大作用,此時(shí)p-n-p的結(jié)構(gòu)就只

7、的結(jié)構(gòu)就只 是單純兩個(gè)背對(duì)背連接的是單純兩個(gè)背對(duì)背連接的p-n二極管二極管。 2021/3/149 2021/3/1410 2021/3/1411 2021/3/1412 2021/3/1413 2021/3/1414 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 各區(qū)域中的載流子分布各區(qū)域中的載流子分布 為推導(dǎo)出理想晶體管的電流、電壓表示式,需作下列五點(diǎn) 假設(shè): （1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜均勻摻雜; （2）基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略; （3）載流子注入屬于小注入; （4）耗盡區(qū)中沒(méi)有產(chǎn)生-復(fù)合電流; （5）晶體管中無(wú)串聯(lián)電阻。 假設(shè)在正向偏壓的狀況下空穴由發(fā)射區(qū)注入基區(qū),然后 這些

8、空穴再以擴(kuò)散的方式穿過(guò)基區(qū)到達(dá)集基結(jié),一旦確定了 少數(shù)載流子的分布(n區(qū)域中的空穴),就可以由少數(shù)載流子的 濃度梯度得出電流。 2021/3/1415 2021/3/1416 2021/3/1417 2021/3/1418 2021/3/1419 2021/3/1420 2021/3/1421 2021/3/1422 2021/3/1423 2021/3/1424 2021/3/1425 2021/3/1426 在飽和模式下,極小的電壓就產(chǎn)生了極大的輸出電流,晶體管處于導(dǎo) 通狀態(tài),類(lèi)似于開(kāi)關(guān)短路（亦即導(dǎo)通）的狀態(tài)。 在截止模式下,晶體管的兩個(gè)結(jié)皆為反向偏壓,邊界條件變?yōu)?pn(0)=pn(W)

9、=0,截止模式下的晶體管可視為開(kāi)關(guān)斷路(或是關(guān)閉)。電 流為零 在反轉(zhuǎn)模式下,射基結(jié)是反向 偏壓,集基結(jié)是正向偏壓;在反轉(zhuǎn) 模式下晶體管的集電極用作發(fā)射極, 而發(fā)射極用作集電極,相當(dāng)于晶體 管被倒過(guò)來(lái)用,但是在反轉(zhuǎn)模式下 的電流增益通常較放大模式小,這 是因?yàn)榧妳^(qū)摻雜濃度較基區(qū)濃度 小,造成低的“發(fā)射效率”所致。 2021/3/1427 2021/3/1428 2021/3/1429 即使VBC降到零伏,空穴依然被集電極所吸引,因此集電極電流仍維 持一固定值。圖(a)中的空穴分布也顯示出這種情形,x=W處的空穴梯 度在 從VBC0變?yōu)閂BC=0后,只改變了少許,使得集電極電流在整個(gè)放大 模式

10、范圍下幾乎相同。 若要將集電極電流降為零, 必須加一電壓在集基結(jié)上,使 其正向偏壓(飽和模式),對(duì)硅 材料而言,約需加1V左右,如 圖(b)所示,正向偏壓造成x=W 處的空穴濃度大增,與x=0處 相等圖(b)中的水平線(xiàn),此時(shí) 在x=W處的空穴梯度也就是集 電極電流將會(huì)降為零。 2021/3/1430 2021/3/1431 因?yàn)?一般非常接近于1,使得0遠(yuǎn)大于1,所以基極電流的微小變 化將造成集電極電流的劇烈變化。下圖是不同的基極電流下,輸出電流 -電壓特性的測(cè)量結(jié)果。可見(jiàn)當(dāng)IB=0時(shí),集電極和發(fā)射極間還存在一不 為零的ICEO。 在一共射組態(tài)的理想晶體管中, 當(dāng)IB固定且VEC0時(shí),集電極電

11、流與 VEC不相關(guān)。當(dāng)假設(shè)中性的基極區(qū)域 (W)為定值時(shí),上述特性始終成立。 然而延伸到基極中的空間電荷區(qū)域 會(huì)隨著集電極和基極的電壓改變, 使得基區(qū)的寬度是集基偏壓的函數(shù), 因此集電極電流將與VEC相關(guān) 2021/3/1432 當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時(shí),基區(qū)的寬度將會(huì)減 少,導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加,亦即使得擴(kuò)散 電流增加,因此IC也會(huì)增加。下圖顯示出IC隨著VEC的增 加而增加,這種電流變化稱(chēng)為厄雷效應(yīng),或稱(chēng)為基區(qū)寬度調(diào) 制效應(yīng),將集電極電流往左方延伸,與VEC軸相交,可得到交 點(diǎn),稱(chēng)為厄雷電壓。 2021/3/1433 2021/3/1434 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)

12、關(guān)特性 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性(直流特性), 沒(méi)有涉及其交流特性,也就是當(dāng)一小信號(hào) 重疊在直流值上的情況。小信號(hào)意指交流 電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流 值。 高頻等效電路:圖(a)是以共射組態(tài)晶體管 所構(gòu)成的放大器電路,在固定的直流輸入 電壓VEB下,將會(huì)有直流基極電流IB和直流 集電極電流IC流過(guò)晶體管,這些電流代表圖 (b)中的工作點(diǎn),由供應(yīng)電壓VCC以及負(fù)載電 阻RL所決定出的負(fù)載線(xiàn),將以一1/RL的斜 率與VCE軸相交于VCC。 2021/3/1435 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性 當(dāng)一小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí),基極電流iB將會(huì)隨時(shí)間變動(dòng),而成一 時(shí)

13、間函數(shù),如右圖所示?；鶚O電流的變動(dòng)使得輸出電流iC跟著變動(dòng), 而iC 的變動(dòng)是iB變動(dòng)的0倍,因此晶體管放大器將輸入信號(hào)放大了。 下圖(a)是此放大器的低頻等效電路,在更高 頻率的狀況下,必須在等效電路中加上適當(dāng) 的電容。與正向偏壓的p-n結(jié)類(lèi)似,在正向偏 壓的射基結(jié)中,會(huì)有一勢(shì)壘電容CEB和一擴(kuò) 散電容Cd,而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在 勢(shì)壘電容CCB,如圖(b)所示。 2021/3/1436 2021/3/1437 2021/3/1438 2021/3/1439 2021/3/1440 要改善頻率響應(yīng),必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間,所以高頻 晶體管都設(shè)計(jì)成短基區(qū)寬度。由于在硅材料中

14、電子的擴(kuò)散系數(shù)是空穴 的三倍,所有的高頻硅晶體管都是n-p-n的形式(基區(qū)中的少數(shù)載流子是 電子)另一個(gè)降低基區(qū)渡越時(shí)間的方法是利用有內(nèi)建電場(chǎng)的緩變摻 雜基區(qū), 摻雜濃度變化(基區(qū)靠近發(fā)射極端摻雜濃度高,靠近集電極端摻雜濃度 低)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)將有助于載流子往集電極移動(dòng),因而縮短基區(qū)渡越 時(shí)間。 2021/3/1441 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性 在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開(kāi)關(guān)?？梢岳眯〉幕鶚O電流 在極短時(shí)間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)的狀態(tài)成為開(kāi)(on)的狀態(tài)(反之 亦然)。關(guān)是高電壓低電流的狀態(tài),開(kāi)是低電壓高電流的狀態(tài)。 圖(a)是一個(gè)基本的開(kāi)關(guān)電路,其中射基電壓瞬間由 負(fù)值變?yōu)檎?。圖(b)是晶體管的輸出電流,起初因 為射基結(jié)與集基結(jié)都是反向偏壓,集電極電流非常 低,但射基電壓由負(fù)變正后,集電極電流沿著負(fù)載 線(xiàn),經(jīng)過(guò)放大區(qū)最后到達(dá)高電流狀態(tài)的飽和區(qū),此 時(shí)射基結(jié)與集基結(jié)都變?yōu)檎蚱珘?。因此晶體管在 關(guān)的狀態(tài)下,亦即工作于截止模式時(shí),發(fā)射極與集 電極間不導(dǎo)通;而在開(kāi)的狀態(tài)下,亦即工作在飽和 模式時(shí),發(fā)射極與集電極間導(dǎo)通因此晶體管可近 似于一理想的開(kāi)關(guān)。 202