半導(dǎo)體器件與工藝

1、雙極型晶體管雙極型晶體管哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)微電子學(xué)微電子學(xué)半導(dǎo)體器件與工藝半導(dǎo)體器件與工藝雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的基本結(jié)構(gòu)和分類雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質(zhì)分布雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質(zhì)分布雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質(zhì)分布雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質(zhì)分布雙極型晶體管雙極型晶體管n均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管 均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質(zhì)是均勻分布的，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸主要靠擴散機理進行，又稱擴散型晶體管。 緩變基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質(zhì)是緩變的，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸除了靠擴散運動外，還存在漂移運動且

2、往往以漂移運動為主，又稱漂移型晶體管。雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的電流放大原理假設(shè)條件： 發(fā)射區(qū)與集電區(qū)寬度遠(yuǎn)大于少子擴散長度，基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴散長度。 發(fā)射區(qū)與集電區(qū)電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢壘區(qū)，勢壘區(qū)外無電場。 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴散長度，且不存在載流子的產(chǎn)生與復(fù)合。 各區(qū)雜質(zhì)均勻分布，不考慮表面的影響，且載流子僅做一維傳輸。 小注入，即注入的非平衡少子濃度遠(yuǎn)小于多子濃度。 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)為理想突變結(jié)，且面積相等。雙極型晶體管雙極型晶體管n平衡晶體管的能帶和載流子的分布雙極型晶體管雙極型晶體管n非平衡晶體管的能帶和載流子的分布雙極型晶體管雙極型晶體管

3、n晶體管載流子的傳輸雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管載流子的傳輸n 發(fā)射結(jié)正向偏置發(fā)射電子n 載流子在基區(qū)的傳輸與復(fù)合n 集射結(jié)反向偏置收集電子BCEIII晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) n晶體管電流放大系數(shù)和電流放大能力（1）共基極直流電流放大系數(shù) 表征從發(fā)射極輸入的電流中有多大比例傳輸?shù)郊姌O成為輸出電流，或者說由發(fā)射極發(fā)射的電子有多大比例傳輸?shù)搅思姌O。共基極接法的晶體管不能放大電流，但由于集電極允許接入阻抗較大的負(fù)載，所以仍能夠獲得電壓放大和功率放大。 ECII0n晶體管電流放大系數(shù)和電流放大能力（2）共射極直流電流放大系數(shù) 共發(fā)射極電路是用 去控制 以實現(xiàn)電流放大的

4、。 BCII0BICI晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) n晶體管電流放大系數(shù)和電流放大能力（3） 與 的關(guān)系000001晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) n晶體管電流放大系數(shù)和電流放大能力（4）晶體管具有放大能力所滿足的條件（以NPN管為例） 發(fā)射區(qū)高摻雜，能發(fā)射大量電子； 基區(qū)低摻雜且基區(qū)寬度窄，減少電子的復(fù)合損失； 發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射電子； 集射結(jié)反向偏置，收集電子。晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù)n均勻基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù)n均勻基區(qū)晶體管電

5、流放大系數(shù)為什么 總是小于 ？ 主要原因在于發(fā)射極發(fā)射的電子在傳輸?shù)郊姌O的過程中，有兩個階段電子會損失：一是發(fā)射區(qū)的電于與來自基區(qū)的少子空穴的復(fù)合損失，該復(fù)合形成了空穴電流；一是電子在穿越基區(qū)往集電結(jié)擴散的過程中，與基區(qū)中空穴的復(fù)合損失，形成體內(nèi)復(fù)合電流。 CIEI晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù)n均勻基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)為了表征兩個階段電子損失的比例大小，再定義兩個參量： 發(fā)射效率：基區(qū)輸運系數(shù)：pebbeEnLWIXI11)(2022223*0211)()()(nbbnCnnLWXIIXIXI晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù)n緩變基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)發(fā)

6、射效率：基區(qū)輸運系數(shù)：pebbeLW11022*011nbbLWebbeWW110晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 1.在N型硅片上經(jīng)硼擴散后，得到集電結(jié)結(jié)深 ，有源基區(qū)方塊電阻 ，再經(jīng)磷擴散后，得發(fā)射結(jié)結(jié)深 ，發(fā)射區(qū)方塊電阻 。設(shè)基區(qū)少子壽命 ，基區(qū)少子擴散系數(shù)擴散系數(shù) ，基區(qū)自建場因子 ，試求該晶體管的電流放大系數(shù) 與 分別為多少？mxjc1 . 2sqRSB/800mxje3 . 1sqRSE/10sB7101215scmDB8晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 2.在基區(qū)摻雜濃度隨距離按指數(shù)式變化的緩變基區(qū)晶體管中，基區(qū)自建電場強度為常數(shù)。如果基區(qū)寬度為0

7、.3 的晶體管中存在500 的均勻基區(qū)自建電場，基區(qū)中靠近發(fā)射結(jié)一側(cè)的摻雜濃度是 ，試問基區(qū)中靠近集電結(jié)一側(cè)的摻雜濃度為多少？m1cmV31710cm 提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度，增大正向注入電流； 減小基區(qū)寬度，減少復(fù)合電流； 提高基區(qū)雜質(zhì)分布梯度，以提高電場因子； 提高基區(qū)載流子壽命和遷移率，以增大載流子的擴散長度。晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管基區(qū)寬變效應(yīng)晶體管基區(qū)寬變效應(yīng)晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 習(xí)題1 在材料種類相同、摻雜濃度分布相同、基區(qū)寬度相同的條件下、PNP晶體管和NPN晶體管相比，哪種晶體管的發(fā)射結(jié)注入效率較大？哪種晶體管的基區(qū)輸運系數(shù)

8、較大？ 影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合對電流放大系數(shù)的影響影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素發(fā)射區(qū)重?fù)诫s對電流放大系數(shù)的影響影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素基區(qū)寬變效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素影響晶體管的直流電流放大系數(shù)的因素溫度對電流放大系數(shù)的影響晶體管的直流伏安特性曲線（共基極）晶體管的直流伏安特性曲線（共基極）晶體管的直流伏安特性曲線（共射極）晶體管的直流伏安特性曲線（共射極）兩種組態(tài)輸出特性曲線比較兩種組態(tài)輸出特性曲線比較n電流放

9、大系數(shù)的差別n 增大對電流放大系數(shù)的影響n 減小對輸出電流的影響CEUCEU晶體管的穿通電壓晶體管的穿通電壓 （基區(qū)穿通）（基區(qū)穿通）晶體管的穿通電壓晶體管的穿通電壓 （外延層穿通）（外延層穿通）外延層穿通所決定的擊穿電壓外延層厚度2ccCBOBmcmcWWBUUXXjcmcdXX 3.已知某硅NPN均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)寬度 ，基區(qū)摻雜濃度 ，集電區(qū)摻雜濃度 ，試求當(dāng) 、 時電流放大系數(shù)如何變化并計算厄爾利電壓。 mWB5 . 231710cmNB31610cmNCVVCB0VVCE10晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 4.某廠在試制晶體管時，由于不注意清潔衛(wèi)生，在高溫擴散時引

10、入了金、鎳等雜質(zhì)，結(jié)果得到如圖所示的晶體管輸出特性曲線。你能否說明這個輸出特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)輸出特性曲線的差別在哪里，原因是什么？ 晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 5.某廠在試制NPN平面管時，發(fā)現(xiàn)所得到的輸出特性曲線為“靠背椅”式，如圖所示。你能否用基區(qū)表面形成反省層（即所謂“溝道” ）來解釋這種輸出特性曲線？ 晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 6.某廠在試制某種晶體管時，發(fā)現(xiàn)輸出特性曲線“過度傾斜”，如圖所示。你能否用制造過程不當(dāng)，使基區(qū)過薄來解釋此種現(xiàn)象？晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 7.某廠在試制某種晶體管時，發(fā)現(xiàn)輸出特性曲線如圖所示。

11、你能否用集電極有較大的串聯(lián)電阻（如歐姆接觸電阻之類）來解釋此種現(xiàn)象？如何改進工藝條件來避免此種現(xiàn)象？ 晶體管的直流電流放大系數(shù)晶體管的直流電流放大系數(shù) 8.某廠在試制某種晶體管時，發(fā)現(xiàn)輸出特性曲線如圖所示。你能否用集電結(jié)在表面處有很大的漏電流來解釋此種現(xiàn)象？ 晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數(shù)晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數(shù)晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數(shù)晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數(shù)提高特征頻率的途徑提高特征頻率的途徑1、減小基區(qū)寬度，并采用擴散基區(qū)。2、盡量減小發(fā)射極面積。3、基區(qū)擴散的薄層電阻大些，即基區(qū)雜質(zhì)濃度 稍

12、低些，也有利于提高特征頻率。4、減小集電結(jié)面積，適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率。 晶體管的噪聲晶體管的噪聲噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 采用信號噪聲比（即信號功率與噪聲功率之比，簡稱信噪比）來衡量噪聲的大小。常用晶體管的輸入信號噪聲比同輸出信號噪聲比的比值來標(biāo)志晶體管的噪聲特性，這個比值就叫噪聲系數(shù)。晶體管的噪聲晶體管的噪聲 噪聲來源噪聲來源 （1）熱噪聲 雜亂無章的熱運動疊加在載流子的有規(guī)則的運動之上，就會引起電流的起伏，成為噪聲。 （2）散粒噪聲 半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生、復(fù)合過程有漲有落，參加導(dǎo)電的載流 于數(shù)目將在其平均值 附近起伏，這種由載流子數(shù)目起伏而引起的噪聲。 （3） 噪聲 在半導(dǎo)體中還存在著一種影響很大

13、的噪聲，叫做噪聲，這種噪聲同頻率有關(guān)，頻率越低，噪聲越大。 f1晶體管的功率特性晶體管的功率特性 基區(qū)大注入效應(yīng)基區(qū)大注入效應(yīng) （1）大注入基區(qū)電大調(diào)制效應(yīng)和自建電場）大注入基區(qū)電大調(diào)制效應(yīng)和自建電場 （2）大注入基區(qū)少子分布）大注入基區(qū)少子分布晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應(yīng)基區(qū)擴展效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應(yīng)基區(qū)擴展效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應(yīng)基區(qū)擴展效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性 基區(qū)縱向擴展效應(yīng)基區(qū)縱向擴展效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)橫向擴展效應(yīng)基區(qū)橫向擴展效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應(yīng)對電特性的影

14、響基區(qū)擴展效應(yīng)對電特性的影響22012ebbbpenbWWLL012Tbff晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)( )(0)(1)(0)BBBeffjxjejxS(1)(0)( )(0)BBBeffejjxxjS(1)(0)( )( )(0)BBBBeffejdIxjx ldxxjldxS晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊

15、效應(yīng)20(1)(0)(1)(0)( )(0)(0)2xBBBBBeffeffejejxIxxjldxjlxSS( )( )BbbdxdU xIxW l2220(1)(0)(2)(0)1()( )(0)626effSBSbBSbeffeffSbBeffeffejRejRkTU SdU xSRjSSq晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)1/21/26/2(0)effSbBkT qSeRj1/21/206/2(1)(0)effSbEkT qSeRj1/21/21/200/61.862effSbEpSbEpkT qkT qeSeRjRj晶體管的功率特性晶體管的功率特性

16、 集電結(jié)最大耗散功率集電結(jié)最大耗散功率 集電結(jié)最大耗散功率是晶體管參數(shù)的變化不超過規(guī)定值時的最大集電結(jié)耗散功率。晶體管的功率特性晶體管的功率特性 集電結(jié)最大耗散功率相關(guān)因素集電結(jié)最大耗散功率相關(guān)因素 在晶體管的散熱情況和環(huán)境溫度一定時，消耗的功率越大，管芯的結(jié)溫就越高。由于管芯結(jié)溫不能超過晶體管的最高結(jié)溫，因此晶體管的耗散功率也不允許任意大。顯然與最高結(jié)溫對應(yīng)的耗散功率就是晶體管的最大允許耗散功率，即 晶體管的最高結(jié)溫是指晶體管能正常地、長期可靠工作的最高PN結(jié)溫度。 ()CMjMaPK TT晶體管的功率特性晶體管的功率特性晶體管熱阻晶體管熱阻 晶體管工作時，集電結(jié)產(chǎn)生的熱量要散發(fā)到周圍空間中

17、去，會遇到一種阻力，把這種阻力叫“熱阻”。晶體管的熱阻是表征晶體管工作時所產(chǎn)生的熱量向外散發(fā)的能力，它表示晶體管散熱能力的大小。jMaTCMTTRP晶體管的功率特性晶體管的功率特性晶體管熱阻晶體管熱阻晶體管的功率特性晶體管的功率特性降低晶體管熱阻降低晶體管熱阻降低內(nèi)熱阻：通過適當(dāng)減薄硅片和鋁片厚度，增大集電結(jié)面積或周界長度來減小內(nèi)熱阻。 降低外熱阻：可以通過減小接觸熱阻，增大散熱面積來實現(xiàn)。 減少接觸熱阻的措施： 盡量使管座與散熱器的接觸面平整、光滑、清潔且不氧化。 在接觸界面處涂覆硅脂。 在安裝晶體管時，接觸面應(yīng)盡量壓緊。晶體管的功率特性晶體管的功率特性 晶體管的二次擊穿晶體管的二次擊穿 當(dāng)

18、集電極反向偏壓增大到某一值時，集電極電流急劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，這個首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿。當(dāng)集電極反向偏壓進一步增大，增大到某一臨界值時，晶體管上的壓降突然降低，而電流繼續(xù)增長，這個現(xiàn)象稱為二次擊穿。 晶體管的功率特性晶體管的功率特性 晶體管的二次擊穿晶體管的二次擊穿晶體管的功率特性晶體管的功率特性二次擊穿機理二次擊穿機理電流集中二次擊穿電流集中二次擊穿 在晶體管內(nèi)部出現(xiàn)電流局部集中，形成過熱點，導(dǎo)致該處發(fā)生局部熱擊穿的結(jié)果。 晶體管的功率特性晶體管的功率特性鎮(zhèn)流電阻鎮(zhèn)流電阻晶體管的功率特性晶體管的功率特性二次擊穿機理二次擊穿機理雪崩注入二次擊穿雪崩注入二次擊穿晶體管的功率特性晶體管

19、的功率特性集電極最大工作電流集電極最大工作電流 共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到最大值的一半時所對應(yīng)的集電極電流。 晶體管的功率特性晶體管的功率特性 不使晶體管損壞和老化，而且工作可靠性又較高的區(qū)域叫做安全工作區(qū)。晶體管的安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū)晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 晶體管的開關(guān)作用晶體管的開關(guān)作用 開關(guān)電路中的晶體管多采用共發(fā)射極接法。晶體管的開關(guān)作用是通過基極輸入脈沖控制集電極回路的通斷來實現(xiàn)的。 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 晶體管的開關(guān)工作區(qū)域晶體管的開關(guān)工作區(qū)域 晶體管做開關(guān)運用時，它的“開”與“關(guān)”兩種工作狀態(tài)分別對應(yīng)子輸出特性曲線中的飽和區(qū)和截止區(qū)。 晶體管的開關(guān)特

20、性晶體管的開關(guān)特性 飽和區(qū)飽和區(qū) 在飽和狀態(tài)時，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，發(fā)射結(jié)偏壓約為0.7V，而C，E間的壓降約為0.3V。這表明 C極電位低于B極，即集電結(jié)也處于正向偏置，這是晶體管飽和的重要特點之一。使晶體管由放大區(qū)進入飽和區(qū)的臨界基極電流稱為臨界飽和基極電流。 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 截止區(qū)截止區(qū) 晶體管的發(fā)射結(jié)加上 反 向 偏 壓 （ 或 零 偏壓），集電結(jié)也加上反向偏壓，晶體管就處于截止區(qū)，這時晶體管內(nèi)只有反向漏電流流過，其數(shù)值極小。 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 理想晶體管的開關(guān)波形理想晶體管的開關(guān)波形晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 實際晶體管的開關(guān)波形實際晶

21、體管的開關(guān)波形晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 延遲過程延遲過程 在晶體管開啟以前，晶體管處于截止態(tài)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置，因此它們的勢壘區(qū)是比較寬的，勢壘區(qū)中有比較多的空間電荷。在輸入電壓剛剛變正時，發(fā)射結(jié)的勢壘區(qū)還保持在原來的狀態(tài)，即勢壘區(qū)有比較多的空間電荷，勢壘區(qū)還很寬。由于發(fā)射結(jié)勢壘電容電壓不能突變，也就是發(fā)射結(jié)仍然保持在負(fù)偏壓或零偏壓的狀態(tài)，所以沒有析從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)。 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 上升過程上升過程 在延遲過程結(jié)束后，晶體管的發(fā)射結(jié)偏壓將繼續(xù)上升，從0.5 V變到0.7V左右，于是發(fā)射區(qū)就向基區(qū)注人較多的電子，電子在基區(qū)中積累，形成一定的濃度梯度，其中一部分在 基區(qū)中復(fù)合掉，其余的輸運到集電結(jié)，形成集電極電流。隨著發(fā)射結(jié)偏壓的上升，注入到基區(qū)的電子增多，電子的濃度梯度增大，集電極電流也隨著增大，這就是上升過程。 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 在上升過程結(jié)束以后，由于晶體管處于過驅(qū)動狀態(tài)，集電結(jié)從零偏變?yōu)檎?，集電區(qū)除了要向基區(qū)注入電子外，基區(qū)也要向集電區(qū)注入空穴，所以在集電區(qū)中也有一部分空穴電荷累量超量貯存電荷超量貯存電荷。 貯存電荷貯存電荷晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 下降過程下降過程 在貯存過程結(jié)束后，晶體管中的電荷分布又回到和上