Microelectric phys 5

1、半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1 1Semiconductor Devices Physics and Technology2012,2,16半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2 2本章內(nèi)容本章內(nèi)容q雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理q雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性q雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性q異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管q可控硅器件及

2、相關(guān)功率器件可控硅器件及相關(guān)功率器件半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3 3雙極型晶體管雙極型晶體管(bipolar transistor)的結(jié)構(gòu)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)通過程的半導(dǎo)體器件，由兩個相鄰的耦合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，其制造過程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱擴散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)域，

3、再在此n型區(qū)域上以熱擴散形成一高濃度的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。 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4 4 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p-n結(jié)。濃度最高的p區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)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，稱為基區(qū)基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠小于少數(shù)載流子的擴散長度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)集電

4、區(qū)(collector，用C表示)。 圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電路符號，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭頭和“十”、“一”符號分別表示晶體管在一般工作模式(即放大模式放大模式)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(VEB0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB0)。發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nBC C+ + + +- - - -E CVE BVC BV( ( a a ) ) 理理 想想 一一 維維 p p - - n n - - p p 雙雙 級級 型型 集集 體體 管管發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nB BC C+ + +

5、 +- -C EVB EVB CV( ( c c ) ) 理理 想想 一一 維維 n n - - p p - - n n 雙雙 級級 型型 集集 體體 管管E CV+ +- -B- -+ +E+ +- -CE BVB CVEICIBI( ( b b ) ) p p - - n n - - p p 雙雙 級級 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路 符符 號號C EV+ +- -B- -+ +E E+ +- -C CB EVC BVEICIBI( ( d d ) ) n n - - p p - - n n 雙雙 級級 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路 符符 號號圖圖 4 4 . . 2

6、 2發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nBC C+ + + +- - - -ECVEBVCBV( (a a) )理理 想想 一一 維維 p p- -n n- -p p雙雙 級級 型型 集集 體體 管管發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nB BC C+ + + +- -CEVBEVBCV( (c c) )理理 想想 一一 維維 n n- -p p- -n n雙雙 級級 型型 集集 體體 管管ECV+ +- -B- -+ +E+ +- -CEBVBCVEICIBI( (b b) )p p- -n n- -p p雙雙 級級 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路

7、 符符 號號CEV+ +- -B- -+ +E E+ +- -C CBEVCBVEICIBI( (d d) )n n- -p p- -n n雙雙 級級 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路 符符 號號圖圖 4 4. .2 2雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5 5 圖(a)是一熱平衡狀態(tài)下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點接在一起，或者三端點都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個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

8、摻雜濃度遠比集電區(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)的電場強度分布情況。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)用到兩個相鄰的耦合p-n結(jié)與n-p結(jié)。 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發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)基基 區(qū)區(qū)集集 電電 區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxECEFEVECEFEVE圖圖 4 4. .3 3（ a a） 所所 有有 端端 點點 接接 地地 的的 p p- -n n- -p p晶晶 體體 管管 （ 熱熱 平平 衡衡 狀狀 態(tài)態(tài) ）（ b b） 突突 變變 摻摻 雜雜 晶晶 體體 管管 的的 摻摻

9、雜雜 濃濃 度度 分分 布布 （ c c） 電電 場場 分分 布布 （ d d） 熱熱 平平 衡衡 狀狀 態(tài)態(tài) 下下 的的 能能 帶帶 圖圖雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 6 6 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)下電荷密度與電場強度分布的情形，與熱平衡狀態(tài)下比較，射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基結(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

10、正向偏壓，因此空穴由p發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。 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發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 7 7 在理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會有產(chǎn)生-復(fù)合電流，

11、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)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)，因此將有一反向飽和電流流過此結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴散通過基區(qū)而到達集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。此種輸運機制便是注射載流子的“發(fā)射極發(fā)射極“以及收集鄰近結(jié)注射過來的載流子的“集集電極電極”名稱的由來。發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4雙極型晶體管的

12、工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 8 8 如果大部分入射的空穴都沒有與基區(qū)中的電子復(fù)合而到達集電極，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，由鄰近的射基結(jié)注射過來的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)造成大電流，這就是晶體營的放大作用放大作用，而且只有當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時才會發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。相反地，如果此兩p-n結(jié)距離太遠，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合而無法到達集基區(qū)，并不會產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時p-n-p的結(jié)構(gòu)就只是單

13、純兩個背對背連接的p-n二極管。 發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 9 9 下圖中顯示出一理想的p-n-p晶體管在放大模式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生-復(fù)合電流，則由發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分

14、。電流增益電流增益發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5 大部分的入射空穴將會到達集電極而形成Icp?；鶚O的電流有三個，即IBB、IEn以及ICn。其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)合的電子電流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工

15、程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1010晶體管各端點的電流可由上述各個電流成分來表示 發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5晶體管中有一項重要的參數(shù)，稱為共基電流增益共基電流增益，定義為 ,EnEpEIII,CnCpCIIICnCpEpEnCEBIIIIIII)(ECIIp0因此，得到 ppnppnpp0ECEEEEECIIIIIIII雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器

16、件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1111發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5第二項稱為基區(qū)輸運系數(shù)基區(qū)輸運系數(shù)，是到達集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比，即 所以 上式等號右邊第一項稱為發(fā)射發(fā)射效率效率，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流的比，即： npppEEEEEIIIIIppECTIIT0雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)

17、體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1212發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5其中ICn是發(fā)射極斷路時(即IE=0)集基極間的電流，記為ICBO，前兩個下標(biāo)（CB）表示集、基極兩端點，第三個下標(biāo)（O）表示第三端點(發(fā)射極)斷路，所以ICBO代表當(dāng)發(fā)射極斷路時，集基極之間的漏電流。共基組態(tài)下的集電極電流可表示為 對設(shè)計良好的晶體管，IEn遠比IEp小，且ICp與IEp非

18、常接近， T與都趨近于1，因此0也接近于1。集電極電流可用0表示，即 CnECnETCnETCnCpCIIIIIIIII0ppCBOECIII0雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1313例1：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。試求出下列各值：(a)發(fā)射效率；(b)基區(qū)輸運系數(shù)T；(c)共基電流增益0；(d)ICBO。 解 （a）發(fā)射效率為 9967. 00

19、1. 033nppEEEIII（b）基區(qū)輸運系數(shù)為9967. 0399. 2ppECTII（c）共基電流增益為 9934. 09967. 09967. 00T（d）共基電流增益為 3.01mA,mA01. 0m3npAIIIEEEAAAIIICCm991. 2m001. 0m99. 2npC所以 AmAmAIIIECCBO87. 001. 39934. 0991. 20雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1414 為推導(dǎo)出理想晶體管的電流、電

20、壓表示式，需作下列五點五點假設(shè)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)中沒有產(chǎn)生-復(fù)合電流；（5）晶體管中無串聯(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)，然后這些空穴再以擴散的方式穿過基區(qū)到達集基結(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。 各區(qū)域中的載流子分布各區(qū)域中的載流子分布 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體

21、管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1515 圖(c)顯示結(jié)上的電場強度分布，在中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無電場的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程式表示： 其中Dp和p分別表示少數(shù)載流子的擴散系數(shù)和壽命。上式的一般解為 一、基區(qū)區(qū)域：一、基區(qū)區(qū)域：發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b

22、) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 40022pnnnpppdxpdD)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp其中 為空穴的擴散長度，常數(shù)C1和C2可由放大模式下的邊界條件 pppDL)exp()0(0kTqVppEBnn和0）（Wpn決定。雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1616 其中pn0是熱平衡狀態(tài)下基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度，可由pn0=ni2/NB決

23、定，NB表示基區(qū)中均勻的施主濃度。第一個邊界條件式表示在正向偏壓的狀態(tài)下，射基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣(x=0)的少數(shù)載流子濃度是熱平衡狀態(tài)下的值乘上exp(qVEB/kT)。第二個邊界條件表示在反向偏壓的狀態(tài)下，集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣(x=W)的少數(shù)載流子濃度為零。 將邊界條件代入得)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPn) 0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE圖圖 4 4. .6 6放放大大模模式式

24、下下p p- -n n- -p p晶晶體體管管中中各各區(qū)區(qū)域域得得少少數(shù)數(shù)載載流流子子分分布布雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1717當(dāng)x1時，sinh(x)將會近似于x。所以當(dāng)W/Lp1時，可簡化為 即：少數(shù)載流子分布趨近于一直線少數(shù)載流子分布趨近于一直線。此近似是合理的，因為在晶體管的設(shè)計中，基極區(qū)域的寬度遠小于少數(shù)載流子的擴散長度。如圖?？梢?，由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè)，可簡化電流-電壓特性的推導(dǎo)過程。 WxpWxkTqVpxp

25、EB）（1)0(1exp)(n0nn)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPn) 0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE圖圖 4 4. .6 6放放大大模模式式下下p p- -n n- -p p晶晶體體管管中中各各區(qū)區(qū)域域得得少少數(shù)數(shù)載載流流子子分分布布雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 18

26、18和 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載流子分布可以用類似上述基區(qū)情況的方法求得。在圖中，發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為 二、發(fā)射極和集電極區(qū)域二、發(fā)射極和集電極區(qū)域 ：)exp()(nkTqVnxxEBEOEE0)exp()(nkTVqnxxCBCOCC其中nEO和nCO分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡狀態(tài)下的電子濃度電子濃度。設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠大于擴散長度LE和LC，將邊界條件代入)(exp)(exp)(21EEppLxCLxCnxn得到EEEEBEOEOExxLxxkTqVnnx,exp1)exp()(n）（發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPn) 0(nP)(xPnBQnoPWcx)

27、(xnccon0ExEOn)(xNE圖圖 4 4. .6 6放放大大模模式式下下p p- -n n- -p p晶晶體體管管中中各各區(qū)區(qū)域域得得少少數(shù)數(shù)載載流流子子分分布布雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1919只要知道少數(shù)載流子分布，即可計算出晶體管中的各項電流成分。在x=0處，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流IEp與少數(shù)載流子濃度分布的梯度成正比，因此當(dāng)W/Lp1時，空穴電流IEp可以由式放大模式下理想晶體管的電流放大模式下理想晶體管的電流

28、：同理，在tW處由集電極所收集到的空穴電流為 表示為WxWxVxEB）（1)0(p1kTqexpp)(pn0nn)exp(ddpq00nppkTqVWpqADxDAIEBnpxE)exp(ddpq0nppkTqVWpqADxDAIEBnpWxC雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2020當(dāng)W/Lp1時，IEp等于ICp。而IEn是由基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電子流形成的，ICn是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流形成的，分別為 其中DE和DC分別為電子在發(fā)射區(qū)和

29、集電區(qū)中的擴散系數(shù)。 各端點的電流可由以上各方程式得出。發(fā)射極電流為IEp與IEn的和，即 1)exp(AkTqVLnqADdxdnqDIEBEEOExxEEEnECCOCxxCCCnLnqADdxdnqDAIC12111)exp(akTqVaIEBE)(011EEOEnpLnDWpDqAaWpqADanp012其中雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2121集電極電流是ICp與ICn的和，即 可見12= 21。理想晶體管的基極電流是發(fā)射極電

30、流IE與集電極電流IC的差，即 所以，晶體管三端點的電流主要是由基極中的少數(shù)載流子分布來決定，一旦獲得了各電流成分，即可由其中22211)exp(akTqVaIEBCWpqADanp021)(022CCOCnpLnDWpDqAa)(1)exp()(22122111aakTqVaaIEBB得出共基電流增益 npppEEEEEIIIIIppECTII和T0雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2222例2：一個理想的p+-n-p晶體管，其發(fā)射區(qū)、基

31、區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度分別為1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而壽命分別為10-8s、10-7s和10-6s，假設(shè)有效橫截面面積A為0.05mm2，且射基結(jié)正向偏壓在0.6V，試求晶體管的共基電流增益。其他晶體管的參數(shù)為DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 解： 在基極區(qū)域中 在發(fā)射極區(qū)域中 cmcmDLpPp371010103231729201013. 910)1065. 9(cmcmNnpBincmDLEEE41032i13. 9ncmNnEEO雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東

32、工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2323因為W/Lp=0.051，各電流成分為 共基電流增益0為 AAeIEp440259. 0/6 . 042419107137. 110105 . 01031. 910105106 . 1AICp4107137. 1AAeIEn80259. 0/6 . 04419105687. 8) 1(1031. 91105106 . 1995. 0105687. 8107137. 1107137. 18440EnEpCpIII雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物

33、理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2424在W/Lp0時，集電極電流與VEC不相關(guān)。當(dāng)假設(shè)中性的基極區(qū)域(W)為定值時，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) EBCpnpECBICIEI( (a a) )p p- -n n- -p p晶晶 體體 管管 的的 共共 射射 組組 態(tài)態(tài)EECVBCVB864201020C BOBV飽飽 和和截截 止止（ b b） 其其 輸輸 出出 電電 流流 電電 壓壓 特特 性性C E

34、OIAIB250C BV0I Ic c/ /m mA A1015205圖圖 4 4. .1 10 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3232 當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時，基區(qū)的寬度將會減少，導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加，亦即使得擴散電流增加，因此IC也會增加。下圖顯示出IC隨著VEC的增加而增加，這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)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，稱為厄雷電壓厄

35、雷電壓。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性CIECV0AVBI半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3333例3：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射電流增益0，并以0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。 解： 發(fā)射效率為 9967. 001. 033nppEEEIII基區(qū)輸運系數(shù)為9967. 0399. 2ppECTII共基電流增益為 9934. 09967. 09967.

36、00T因此可得 5 .1509934. 019934. 00CBOCBOCEOIII) 1() 11(000AAICEO461032. 11087. 0) 15 .150(所以 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3434前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性(直流特性)，沒有涉及其交流特性，也就是當(dāng)一小信號重疊在直流值上的情況。小信號意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 高頻等效電路高頻等效電路：圖(a)是以共射組態(tài)晶體

37、管所構(gòu)成的放大器電路，在固定的直流輸入電壓VEB下，將會有直流基極電流IB和直流集電極電流IC流過晶體管，這些電流代表圖(b)中的工作點，由供應(yīng)電壓VCC以及負載電阻RL所決定出的負載線，將以一1/RL的斜率與VCE軸相交于VCC。pnp( (a a) )連連 接接 成成 共共 射射 組組 態(tài)態(tài) 的的 雙雙 極極 晶晶 體體 管管ciEiBiEBVC CVEBV0246810I Ic c/ /m mA A5101505101520AIB25工工 作作 點點BitBiBICIcicit負負 載載 線線輸輸 出出 電電 流流（ b b） 晶晶 體體 管管 電電 路路 的的 小小 信信 號號 工工

38、作作 狀狀 態(tài)態(tài)圖圖 4 4. .1 12 2C CVVVEC/雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3535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)?shù)碾娙荨Ｅc正向偏壓的p-n結(jié)類似，在正向偏壓的射基結(jié)中，會有一勢壘電容CEB和一擴散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢壘電容CCB，如圖 (b)所示。 當(dāng)一小信號附加在輸入電壓上時，基極電流iB將會隨時間變動，而成為一時間函數(shù)，如右

39、圖所示?；鶚O電流的變動使得輸出電流iC跟著變動， 而iC的變動是iB變動的0倍，因此晶體管放大器將輸入信號放大了。 pnp( (a a) )連連 接接 成成 共共 射射 組組 態(tài)態(tài) 的的 雙雙 極極 晶晶 體體 管管ciEiBiEBVC CVEBV0246810I Ic c/ /m mA A5101505101520AIB25工工 作作 點點BitBiBICIcicit負負 載載 線線輸輸 出出 電電 流流（ b b） 晶晶 體體 管管 電電 路路 的的 小小 信信 號號 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài)圖圖 4 4. .1 12 2C CVVVEC/( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路

40、路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢勢壘壘和和擴擴散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基基本本等等效效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢勢壘壘和和擴擴散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基

41、基本本等等效效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3636其中( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢勢壘壘和和擴擴散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基基本本等等效

42、效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3稱為跨導(dǎo)(transconductance)EBCmvig稱為輸入電導(dǎo)(input conductance)。而基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將產(chǎn)生一個有限的輸出電導(dǎo)。EBBEBvig另外，基極電阻和集電極電阻也都列入考慮。圖(c)是加入上述各器件后的高頻等效電路。 ECCECvig雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3737截止頻率截止頻率 ：在右上圖中，跨導(dǎo)gm和

43、輸入電導(dǎo)gEB與晶體管的共基電流增益有關(guān)。在低頻時，共基電流增益是一固定值，不會因工作頻率而改變，然而當(dāng)頻率升高至一關(guān)鍵點后，共基電流增益將會降低。右下圖是一典型的共基電流增益相對于工作頻率的示意圖。加入頻率的參量后，共基電流增益為 ( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢勢壘壘和和擴擴散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基基本本等等效效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3

44、)/(10ffj其中0是低頻(或直流)共基電流增益，f是共基截止頻率共基截止頻率，當(dāng)工作頻率f=f時，的值為0.707 0(下降3dB)。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性51061071081091010101 . 010010210310dB3fdB3fTf頻率頻率Hz/半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3838右圖中也顯示了共射電流增益，由上式可得 其中f稱為共射截止頻率 )/(110ffjff)1 (0由于01，所以f遠小于f。另外，一截止頻率

45、fT(又稱特征頻率)定義為的絕對值變?yōu)?時的頻率，將前式等號右邊的值定為1，可得出 ffffT00020)1 (1因此fT很接近但稍小于 f。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性51061071081091010101 . 010010210310dB3fdB3fTf頻率頻率Hz/半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3939其中A是器件的截面積，p(x)是少數(shù)載流于的分布，空穴經(jīng)過基區(qū)所需的時間B為 特征頻率fT也可以表示為(2T)-1，其中T代表載流子從發(fā)

46、射極傳輸?shù)郊姌O所需的時間，它包含了發(fā)射區(qū)延遲時間E、基區(qū)渡超時間B以及集電區(qū)渡越時間C。其中最主要的時間是B。少數(shù)載流子在dt時段中所走的距離為dtv(x)dt，其中v(x)是基區(qū)中的少數(shù)載流子的有效速度，此速度與電流的關(guān)系為 AxpxqvIP)()(dxIAxqpxvdxWPWB00)()(雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4040以線性空穴分布為例，將 要改善頻率響應(yīng)，必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時間，所以高頻

47、晶體管都設(shè)計成短基區(qū)寬度。由于在硅材料中電子的擴散系數(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)另一個降低基區(qū)渡越時間的方法是利用有內(nèi)建電場的緩變摻雜基區(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)建電場將有助于載流子往集電極移動，因而縮短基區(qū)渡越時間。 代入dxIAxqpxvdxWPWB00)()(PBDW22)exp(0pkTqVWpqADIEBnpC因此fT很接近但稍小于 f。WxVxEB）（1kTqexpp)(p0nn和雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理

48、與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4141 在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開關(guān)?？梢岳眯〉幕鶚O電流在極短時間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)的狀態(tài)成為開(on)的狀態(tài)(反之亦然)。關(guān)是高電壓低電流的狀態(tài)，開是低電壓高電流的狀態(tài)。圖(a)是一個基本的開關(guān)電路，其中射基電壓瞬間由負值變?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，但射基電壓由負變正后，集電極電流沿著負載線，經(jīng)過放大區(qū)最后到達高電流狀態(tài)的飽和區(qū)，此時射基結(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

49、作于截止模式時，發(fā)射極與集電極間不導(dǎo)通；而在開的狀態(tài)下，亦即工作在飽和模式時，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關(guān)。 pnpCIBIE BVEISRLREBVSV0t( (a a) )晶晶 體體 管管 開開 關(guān)關(guān) 電電 路路0CI負負 載載 線線E CV截截 止止關(guān)關(guān)BI放放 大大飽飽 和和開開I Ic c( (b b) )晶晶 體體 管管 由由 截截 止止 模模 式式 切切 換換 到到 飽飽 和和 模模 式式圖圖 4 4. .1 15 5pnpCIBIE BVEISRLRE BVSV0t( (a a) )晶晶 體體 管管 開開 關(guān)關(guān) 電電 路路0CI負負 載載 線線E CV截截

50、 止止關(guān)關(guān)BI放放 大大飽飽 和和開開I Ic c( (b b) )晶晶 體體 管管 由由 截截 止止 模模 式式 切切 換換 到到 飽飽 和和 模模 式式圖圖 4 4. .1 15 5雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4242開關(guān)時間是指晶體管狀態(tài)從關(guān)變?yōu)殚_或從開變?yōu)殛P(guān)所需的時間，圖(a)顯示一輸入電流脈沖在t0時加在射基端點上，晶體管導(dǎo)通在tt2時，電流瞬間轉(zhuǎn)換到零，晶體管關(guān)閉。集電極電流的暫態(tài)行為可由儲存在基區(qū)申的

51、超量少數(shù)載流子電荷QB(t)來決定，圖(b)是QB(t)與時間的關(guān)系圖。在導(dǎo)通的過程中，基區(qū)儲存電荷將由零增加到QB(t2)；在關(guān)閉的過程中，基區(qū)儲存電荷由QB(t2)減少到零。（ c c）圖圖 4 4. .1 16 6 晶晶 體體 管管 開開 關(guān)關(guān) 特特 性性 . .( (a a) )基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ;( (b b) )基基 極極 儲儲 存存 電電 荷荷 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (c c) )集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (d d) )基基 極極 在在 不不 同同 時時 間間 的的 少

52、少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a）（ b b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（ d d）開關(guān)暫態(tài)過程開關(guān)暫態(tài)過程雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4343 當(dāng)QB(t)Qs時，晶體管工作于放大模式下，其中Qs是VCB=0時基區(qū)中的電荷量如圖(d)，在飽和區(qū)的邊緣。 IC對時間的變化顯示在圖(c)中。在

53、導(dǎo)通的過程中，基區(qū)存儲電荷量達到Qs，電荷量在t=t1時達到飽和區(qū)邊緣。當(dāng)QBQs時晶體管進入飽和模式，而發(fā)射極和集電極電流大致維持定值。圖(d)顯示在tt1時，空穴分布pn(x)與t=t1時平行，所以在x=0和x=W處的空穴濃度梯度即電流維持相同。在關(guān)閉的過程中，器件起初是在飽和模式下，集電極的電流大約維持不變，直到QB降至Qs，如圖(d)。（ c c ）圖圖 4 4 . . 1 1 6 6 晶晶 體體 管管 開開 關(guān)關(guān) 特特 性性 . . ( ( a a ) ) 基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ; ( ( b b ) ) 基基 極極 儲儲 存存 電電 荷荷 隨隨 時時

54、間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( c c ) ) 集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( d d ) ) 基基 極極 在在 不不 同同 時時 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a ）（ b b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0W0t1t和和3t（ d d ）（ c c）圖圖 4 4. .1 16 6 晶晶 體體 管管 開開 關(guān)關(guān) 特特 性性 . .( (a a) )基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ;( (b b)

55、)基基 極極 儲儲 存存 電電 荷荷 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (c c) )集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (d d) )基基 極極 在在 不不 同同 時時 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a）（ b b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（ d d）雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物

56、理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4444 由t2到QB=Qs時的t3這段時間稱為存儲延遲時間。當(dāng)QB=Qs，器件在t=t3時進入放大模式，在這個時間點之后，集電極電流將以指數(shù)形式衰減到零。 （ c c ）圖圖 4 4 . . 1 1 6 6 晶晶 體體 管管 開開 關(guān)關(guān) 特特 性性 . . ( ( a a ) ) 基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ; ( ( b b ) ) 基基 極極 儲儲 存存 電電 荷荷 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( c c ) ) 集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時時 間間 的的 變變 化化 ;

57、; ( ( d d ) ) 基基 極極 在在 不不 同同 時時 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a ）（ b b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0W0t1t和和3t（ d d ） 導(dǎo)通的時間取決于能如何迅速地將空穴(p-n-p晶體管中的少數(shù)載流子)加入基極區(qū)域，而關(guān)閉的時間則取決于能如何迅速地通過復(fù)合將空穴移除。晶體管開關(guān)時最重要的一個參數(shù)是少數(shù)載流子的壽命p，一個有效降低p、使轉(zhuǎn)換變快的方法是加入接近禁帶中點的產(chǎn)生-復(fù)合中心。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率

58、響應(yīng)與開關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4545 由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)是不同的半導(dǎo)體材料，它們的禁帶寬度差將對HBT的電流增益造成影響，當(dāng)基區(qū)輸運系數(shù)T非常接近1時，共射電流增益可表示為 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)是指晶體管中的一個或兩個結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。HBT的主要優(yōu)點是發(fā)射效率較高，其應(yīng)用基本上與雙極型晶體管相同，但HBT具有較高的速度，可以工作在更高的頻率。因為其具有這些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字應(yīng)用上非常受歡迎。如在微波應(yīng)用方面，HBT常被用來制造固

59、態(tài)微波及毫米波功率放大器、震蕩器和混頻器。 HBT的電流增益的電流增益 ： 1,111000TTT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4646 發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度可寫為 對n-p-n型晶體管，將 EpEOLWnpDD0nE1110代入 可得 EOpEpoEOEpnLWnpDD0n01EEVCEiEONkTENNNnp）（發(fā)射區(qū)）發(fā)射區(qū)g2exp)(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理

60、與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4747 因此，由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體材料的不同，它們的禁帶寬度差將對HBT的電流增益造成影響，且)exp()exp(0kTENNkTEENNgBEgBgEBE 其中NE和EB分別是發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度， NC和NV分別是導(dǎo)帶和價帶底的有效狀態(tài)密度，EgE是發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的禁帶寬度，NC、NV和EgB則是基區(qū)半導(dǎo)體上相應(yīng)的參數(shù). BBVCBipNkTENNNnn）（基區(qū)）基區(qū)g20exp)(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東