半導體物理與器件第十二章1

1、半導體物理與器件半導體物理與器件陳延湖陳延湖n雙極晶體管的基本器件結(jié)構(gòu)特點雙極晶體管的基本器件結(jié)構(gòu)特點n雙極晶體管的各電極電流成分及電流增雙極晶體管的各電極電流成分及電流增益益n雙極晶體管的非理想特性雙極晶體管的非理想特性n雙極晶體管的混合雙極晶體管的混合型等效電路及頻率型等效電路及頻率特性特性本章重點問題：本章重點問題：第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：n雙極晶體管的工作原理雙極晶體管的工作原理(12.1 )n基本結(jié)構(gòu)及工作原理基本結(jié)構(gòu)及工作原理n晶體管的電極電流晶體管的電極電流n各區(qū)域少子分布各區(qū)域少子分布(12.2) n低頻共基極電流增益低頻共基極電流增益

2、（12.3）n非理想效應非理想效應 (12.4 )n基區(qū)調(diào)制效應基區(qū)調(diào)制效應n等效電路模型等效電路模型(12.5 )nEbers-Moll 模型模型n混合混合模型模型n頻率上限頻率上限（12.6 ）n大信號開關(guān)特性（大信號開關(guān)特性（12.7）n其他的雙極晶體管結(jié)構(gòu)其他的雙極晶體管結(jié)構(gòu)(12.8) 12.1 雙極晶體管的工作原理雙極晶體管的工作原理n雙極晶體管雙極晶體管（bipolar junction transistor） ：由三個：由三個摻雜不同的擴散區(qū)形成兩個背對背摻雜不同的擴散區(qū)形成兩個背對背pn結(jié)。三個結(jié)。三個區(qū)對應晶體管的三個電極：發(fā)射極、基極、集電區(qū)對應晶體管的三個電極：發(fā)射極、

3、基極、集電極。因為器件中包括電子和空穴兩種極性的載流極。因為器件中包括電子和空穴兩種極性的載流子運動，故稱為子運動，故稱為雙極器件雙極器件。n根據(jù)三個電極摻雜類型不同分為兩類：根據(jù)三個電極摻雜類型不同分為兩類：npn型和型和pnp型。型。雙極晶體管器件的一般特征：雙極晶體管器件的一般特征：n器件結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)n雙極晶體管雙極晶體管在結(jié)構(gòu)尺在結(jié)構(gòu)尺寸上是不對稱器件寸上是不對稱器件n發(fā)射極摻雜濃度高，發(fā)射極摻雜濃度高，基極摻雜濃度低（對基極摻雜濃度低（對同質(zhì)結(jié)），集電極摻同質(zhì)結(jié)），集電極摻雜濃度最低。雜濃度最低。n基極層故意做的很薄基極層故意做的很薄nBC結(jié)面積往往遠大于結(jié)面積往

4、往遠大于BE結(jié)面積。結(jié)面積。n雙極器件基本工作原理：雙極器件基本工作原理：放大模式或正向有源放大模式或正向有源模式（模式（forward active）BEBE結(jié)正偏結(jié)正偏: :電子從發(fā)射區(qū)由電子從發(fā)射區(qū)由擴散注擴散注入或發(fā)射入或發(fā)射到基區(qū)到基區(qū)BCBC結(jié)反偏結(jié)反偏: :注入基區(qū)的少子電子由注入基區(qū)的少子電子由于濃度梯度，會擴散到于濃度梯度，會擴散到bcbc結(jié)界面，結(jié)界面，然后被然后被BCBC結(jié)結(jié)電場抽取電場抽取到集電極區(qū)形到集電極區(qū)形成集電極電流成集電極電流ICIC基極很薄，厚度小于基極很薄，厚度小于少子少子電子的電子的擴散長度，少子被空穴復合的數(shù)擴散長度，少子被空穴復合的數(shù)量較小，因而基區(qū)

5、復合電流量較小，因而基區(qū)復合電流IBbIBb較較小，由發(fā)射區(qū)注入的電子大部分小，由發(fā)射區(qū)注入的電子大部分形成集電極電流形成集電極電流ICICIBICIEEcbiiin正向有源下的能帶圖及少子分布正向有源下的能帶圖及少子分布n晶體管三個電極電流簡化表述晶體管三個電極電流簡化表述n在正向有源工作狀態(tài)，假定基區(qū)中少子電子為在正向有源工作狀態(tài)，假定基區(qū)中少子電子為理想化的線性分布理想化的線性分布，即不存在載流子復合：，即不存在載流子復合：)exp()0(0tBEBBVVnn0)(BBxnn則發(fā)射極擴散到則發(fā)射極擴散到BC結(jié)界面的少子電子形成集電極結(jié)界面的少子電子形成集電極電流電流iC：)exp(00)

6、0()(0TBEBBBEnBBBEnBEnBEnCCVvnxAqDxnAqDdxxdnAqDAJi)exp(TBESCVvIi 簡寫為：簡寫為：器件一端的電流由加到另外兩端的電壓控制，這就是晶體管器件一端的電流由加到另外兩端的電壓控制，這就是晶體管的基本工作原理的基本工作原理n發(fā)射極電流：發(fā)射極電流：nBE結(jié)正偏，發(fā)射極注入到基區(qū)的電子流結(jié)正偏，發(fā)射極注入到基區(qū)的電子流iE1（理想（理想情況下情況下iE1=iC)nBE結(jié)正偏，基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流結(jié)正偏，基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流iE2，該電，該電流對流對iC無貢獻，但表達式與無貢獻，但表達式與iC類似：類似： )exp(221TBESEEC

7、EEEVvIiiiii1SESECIIii集電極電流與發(fā)射極電流之比，即共基極放大倍數(shù)：集電極電流與發(fā)射極電流之比，即共基極放大倍數(shù)：2pexp()BEESTviIV總發(fā)射極電流：總發(fā)射極電流： n基極電流成分：基極電流成分：nBE結(jié)正偏，基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流既是發(fā)射極電結(jié)正偏，基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流既是發(fā)射極電流的一部分也是基極電流的一部分，即流的一部分也是基極電流的一部分，即iE2n在基區(qū)，注入的少子電子與基區(qū)多子空穴的復合電流在基區(qū)，注入的少子電子與基區(qū)多子空穴的復合電流iBb。該電流也正比于。該電流也正比于1Bcii)exp(TBEVv器件的非對稱設計使器件的非對稱設計使iB較較

8、小，則共發(fā)射極放大器倍小，則共發(fā)射極放大器倍數(shù)大于數(shù)大于1b2bexp()BEBBESTviiiIV總基極電流：總基極電流： n晶體管工作模式晶體管工作模式n放大模式下晶體管各區(qū)少子分布放大模式下晶體管各區(qū)少子分布幾何結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)少子分布少子分布n其他工作模式的少子分布：其他工作模式的少子分布：截止模式：截止模式：發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏特征：集電極電流很小，晶特征：集電極電流很小，晶體管可視為開關(guān)斷路體管可視為開關(guān)斷路飽和模式：飽和模式：發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏特征：集電極較小的電壓變化可導特征：集電極較小的電壓變化可導致很大的集電極電流，晶體管可視致很大的集

9、電極電流，晶體管可視為開關(guān)短路為開關(guān)短路反向有源模式：發(fā)射結(jié)反偏反向有源模式：發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏n特征：基本無放大作用特征：基本無放大作用n此時集電極相當于發(fā)射電子，向基區(qū)注入，而后被發(fā)射極收集，此時集電極相當于發(fā)射電子，向基區(qū)注入，而后被發(fā)射極收集，由于發(fā)射極面積小，收集電子的效率低，其電流放大倍數(shù)一般較由于發(fā)射極面積小，收集電子的效率低，其電流放大倍數(shù)一般較小。小。n同時集電極摻雜濃度較基區(qū)濃度小，造成低的發(fā)射系數(shù)，晶體管同時集電極摻雜濃度較基區(qū)濃度小，造成低的發(fā)射系數(shù)，晶體管基本無放大倍數(shù)。基本無放大倍數(shù)。12.3 低頻共基極電流增益低頻共基極電流增益n雙極器件工作于正向有

10、源區(qū)的各電極電流成分的詳細雙極器件工作于正向有源區(qū)的各電極電流成分的詳細分析及輸運系數(shù)定義：分析及輸運系數(shù)定義：J JnEnE：x=0 x=0處基區(qū)少子擴散電流處基區(qū)少子擴散電流J JnCnC：x=xx=xB B處基區(qū)少子擴散電流處基區(qū)少子擴散電流J JRBRB：基區(qū)少子與多子的復合電流：基區(qū)少子與多子的復合電流JpEJpE：x x=0,=0,處發(fā)射區(qū)少子空穴擴散電流處發(fā)射區(qū)少子空穴擴散電流Jpc0Jpc0：集電區(qū)的少子抽取電：集電區(qū)的少子抽取電流流J JR R：BEBE結(jié)空間電荷區(qū)中的結(jié)空間電荷區(qū)中的復合電流復合電流J JG G：BCBC結(jié)空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生電流結(jié)空間電荷區(qū)中的產(chǎn)生電流不同電

11、流成分輸運示意圖：不同電流成分輸運示意圖：RRBpEBJJJJRpEnEEJJJJ0pcGnCCJJJJ直流直流共基極組態(tài)電流增益定義為：共基極組態(tài)電流增益定義為：RpEnEpcGnCJJJJJJ00nNpn型雙極器件的基本公式：型雙極器件的基本公式：小信號小信號共基極組態(tài)工作放大倍數(shù)或電流增益：共基極組態(tài)工作放大倍數(shù)或電流增益：定義發(fā)射極注入效率系數(shù)：定義發(fā)射極注入效率系數(shù)：TpERnEpEnEnEnCpEnEnERpEnEnCJJJJJJJJJJJJJJpERnEpEnEJJJJJnCTnEJJpEnEnEJJJ定義載流子基區(qū)輸運系數(shù)：定義載流子基區(qū)輸運系數(shù)：定義定義BEBE結(jié)復合系數(shù)：結(jié)

12、復合系數(shù)：n若要求若要求共發(fā)射極組態(tài)工作直流放大倍數(shù)：共發(fā)射極組態(tài)工作直流放大倍數(shù)：由由KCL定律，各極電流關(guān)系：定律，各極電流關(guān)系：TTECCECBCJJJJJJJ111BCEJJJ10099. 0并假定并假定對應對應9967. 0TT則則因此為了達到一個可觀的電流增益各個因子必須接近于因此為了達到一個可觀的電流增益各個因子必須接近于1 1n與器件材料和尺寸參數(shù)相關(guān)的電流增益表達式：與器件材料和尺寸參數(shù)相關(guān)的電流增益表達式：12.8 其他結(jié)構(gòu)雙極晶體管其他結(jié)構(gòu)雙極晶體管n由由pn異質(zhì)結(jié)的擴散模型：異質(zhì)結(jié)的擴散模型：分析發(fā)射極注入效率系數(shù)：分析發(fā)射極注入效率系數(shù)：電子擴散流：電子擴散流：空穴擴

13、散流：空穴擴散流：202()expexp(1)pnbivppeDpe VEeVJLkTkT101()expexp(1)npbiCnneD ne VEeVJLkTkTn若將若將pn異質(zhì)結(jié)用作異質(zhì)結(jié)用作npn雙極器件的發(fā)射結(jié)，則其雙極器件的發(fā)射結(jié)，則其發(fā)射極注入效率系數(shù)：發(fā)射極注入效率系數(shù)：1EpEnEpEnpnnJJJJJJJexp()gn Ed Ep Ea BEJNJNkTn導致：導致：n晶體管基區(qū)電阻變大。為了減小基區(qū)電阻，基區(qū)寬度晶體管基區(qū)電阻變大。為了減小基區(qū)電阻，基區(qū)寬度不能作的太薄。不能作的太薄。n較大基區(qū)電阻或較厚的基區(qū)尺寸，都將導致無法提高較大基區(qū)電阻或較厚的基區(qū)尺寸，都將導致無

14、法提高器件的高頻特性（器件的高頻特性（ft，fmax）。）。n對同質(zhì)結(jié)對同質(zhì)結(jié)：0exp()1gn Ed Ed Ep Ea Ba BEJNNJNk TN0gE要保持較大增益，需要較大的發(fā)射極注入效率，應使發(fā)射區(qū)摻雜要保持較大增益，需要較大的發(fā)射極注入效率，應使發(fā)射區(qū)摻雜Nd-ENd-E基區(qū)摻雜基區(qū)摻雜Na-BNa-B，即，即n雙極器件的雙極器件的ft，fmax表達式表達式jcCEnBBjcjeCCRRvXDvXCCqIkTfsatdep2T221jcbCRff8Tmaxn則即使基區(qū)摻雜較重，器件仍能保持較大的發(fā)射則即使基區(qū)摻雜較重，器件仍能保持較大的發(fā)射極注入效率和較大的增益，基區(qū)重摻雜導致極

15、注入效率和較大的增益，基區(qū)重摻雜導致：n晶體管基區(qū)電阻變小。基區(qū)寬度可以做的很?。ňw管基區(qū)電阻變小?；鶇^(qū)寬度可以做的很?。╪m量級）。量級）。n在不降低器件增益的同時，器件具有優(yōu)異的高頻特性在不降低器件增益的同時，器件具有優(yōu)異的高頻特性（ft，fmax高）。高）。n對異質(zhì)結(jié)：對異質(zhì)結(jié)：1)exp(012TkENNJJgBAEDEpEn0gE若要求：若要求：nHBT器件的特征：器件的特征：n發(fā)射極為寬禁帶發(fā)射極為寬禁帶n基極為窄禁帶基極為窄禁帶n薄基區(qū)薄基區(qū)n基區(qū)重摻雜基區(qū)重摻雜nAlGaAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)晶體管異質(zhì)結(jié)晶體管舉例：舉例：n使用簡化公式對比使用簡化公式對比SI，同質(zhì)結(jié)，同質(zhì)結(jié)

16、BJT 與某與某GaAs HBT的電流的電流放大倍數(shù)。某種放大倍數(shù)。某種GaAs HBT的異質(zhì)結(jié)為突變結(jié)，價帶不連的異質(zhì)結(jié)為突變結(jié)，價帶不連續(xù)續(xù)Ev=0.193eVn設兩類器件的其他參數(shù)相同，如下：設兩類器件的其他參數(shù)相同，如下：NE=2X1017cm-3，NB=3X1019cm-3，DnB=25cm2/S;DpE=2.5cm2/s，XE=2000，XB=800)exp(kTENXDNXDvBBpEEEnBn對對SI,bjt Ev=0eV,在所設器件參數(shù)下：在所設器件參數(shù)下：17. 0BBpEEEnBNXDNXDn對某對某GaAs HBT Ev=0.193eV，在所設器件，在所設器件參數(shù)下：參

17、數(shù)下：301)exp(kTENXDNXDvBBpEEEnBn沒有放大倍數(shù)沒有放大倍數(shù)n放大倍數(shù)很大。放大倍數(shù)很大。相同器件尺寸和摻雜參數(shù)下相同器件尺寸和摻雜參數(shù)下HBTHBT器件具有更優(yōu)異的性能器件具有更優(yōu)異的性能12.4 非理想效應非理想效應n共發(fā)射極組態(tài)輸出特性曲線：共發(fā)射極組態(tài)輸出特性曲線：非理性因素非理性因素-厄利（雷）電壓效應厄利（雷）電壓效應n前面的分析默認中性基區(qū)寬度前面的分析默認中性基區(qū)寬度XB恒定，實際上恒定，實際上基區(qū)寬度是基區(qū)寬度是BC結(jié)電壓的函數(shù)，隨結(jié)電壓的函數(shù)，隨BC結(jié)反偏電結(jié)反偏電壓變大，壓變大，BC結(jié)空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)變寬，基結(jié)空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)變寬，基區(qū)寬度減小

18、，基區(qū)少子濃度梯度增加，這種效區(qū)寬度減小，基區(qū)少子濃度梯度增加，這種效應稱為應稱為基區(qū)調(diào)制效應或厄利（基區(qū)調(diào)制效應或厄利（Early）效應）效應非理性因素非理性因素-厄雷電壓效應厄雷電壓效應n在電流電壓輸出特性曲線上可以觀察到厄利（雷）在電流電壓輸出特性曲線上可以觀察到厄利（雷）效應效應n理想情況下，理想情況下，IC電流與電流與VCE無關(guān)，僅與輸入的無關(guān)，僅與輸入的VBE或或IB有關(guān)。有關(guān)。n存在厄雷效應時，存在厄雷效應時，IC隨隨VCE增大而增大。增大而增大。如何減小厄雷效應？如何減小厄雷效應？n其他非理想因素其他非理想因素n大注入效應大注入效應n擊穿電壓擊穿電壓: 穿通擊穿現(xiàn)象，穿通擊穿現(xiàn)

19、象，BVCEO，BVCBOn發(fā)射極禁帶變窄效應發(fā)射極禁帶變窄效應n自熱效應自熱效應n。nGP曲線：增益、理想因子、電流成分曲線：增益、理想因子、電流成分n共發(fā)射極增益曲線：共發(fā)射極增益曲線：fTn自熱效應：增益下降，增益坍塌現(xiàn)象自熱效應：增益下降，增益坍塌現(xiàn)象0123450.000.020.040.060.080.10IIIIc /AVce /VCollapselocin擊穿特性：擊穿特性：BVCEO BVCBO2cri02CCBOCCseNBVEXX CBOCEOnBVBV（3-4）202scritCBCEBVeN雙極晶體管的等效電路、頻率及開關(guān)特性（雙極晶體管的等效電路、頻率及開關(guān)特性（1

20、2.5-7）n晶體管的等效電路：晶體管的等效電路： n雙極晶體管的兩類等效電路模型雙極晶體管的兩類等效電路模型 晶體管的數(shù)學模型，用基本的電路元件等效出晶晶體管的數(shù)學模型，用基本的電路元件等效出晶體管的外部特性電流電壓特性，以便于對晶體管電路體管的外部特性電流電壓特性，以便于對晶體管電路特性進行手工計算和計算機仿真。特性進行手工計算和計算機仿真。n大信號非線性模型：其數(shù)學模型直接使用半導體器大信號非線性模型：其數(shù)學模型直接使用半導體器件理論推導得到的伏安特性關(guān)系。件理論推導得到的伏安特性關(guān)系。E-M模型模型、GP模模型等。型等。n小信號線性模型：其數(shù)學模型參數(shù)來自在直流偏置小信號線性模型：其數(shù)

21、學模型參數(shù)來自在直流偏置點的微分。點的微分。Hybrid-PI模型模型，T型模型等。型模型等。n大信號非線性大信號非線性E-M模型模型: 該模型的理論基礎是該模型的理論基礎是將將BJT看做兩個看做兩個PN的組合特性。的組合特性。n這個基本的這個基本的EM模型包括了模型包括了4個模型參數(shù)，分別為：個模型參數(shù)，分別為：CSIRF放大模式下共基極電流增益放大模式下共基極電流增益ESI反向放大模式下共基極電流增益反向放大模式下共基極電流增益BCBC結(jié)反向飽和電流結(jié)反向飽和電流BEBE結(jié)反向飽和電流結(jié)反向飽和電流n對大信號模型在直流偏置點上進行線性化處理，對大信號模型在直流偏置點上進行線性化處理，可得到

22、小信號線性等效電路模型，當晶體管工作可得到小信號線性等效電路模型，當晶體管工作在共發(fā)射極組態(tài)時，可以得到在共發(fā)射極組態(tài)時，可以得到小信號線性小信號線性HP模型模型：基極與發(fā)射極結(jié)小信號等效電路基極與發(fā)射極結(jié)小信號等效電路集電極與發(fā)射極間小信號等效電路集電極與發(fā)射極間小信號等效電路集電極與基極間小信號等效電路集電極與基極間小信號等效電路完整的完整的HP模型模型n電容會導致晶體管的頻率響應，晶體管的增益電容會導致晶體管的頻率響應，晶體管的增益是輸入信號頻率的函數(shù)。是輸入信號頻率的函數(shù)。晶體管的頻率響應：晶體管的頻率響應：n共基極組態(tài)截止頻率共基極組態(tài)截止頻率cdbeecffj102/1ececf2

23、1f 當晶體管工作在截止頻率時，其增益下降當晶體管工作在截止頻率時，其增益下降為低頻值的為低頻值的 由小信號模型可以證明：由小信號模型可以證明：為載流子從發(fā)射極到達集電極的總的時間常數(shù)：為載流子從發(fā)射極到達集電極的總的時間常數(shù)：EB結(jié)電容充電時間結(jié)電容充電時間基區(qū)渡越時間基區(qū)渡越時間BC 結(jié)耗盡區(qū)渡越時間結(jié)耗盡區(qū)渡越時間BC結(jié)電容充電時間結(jié)電容充電時間bcden共發(fā)射極組態(tài)共發(fā)射極組態(tài)截止頻率截止頻率 及特征頻率及特征頻率TffecTff21Tffj0011當當0Tfff其中其中當當Tff 1fTf稱為稱為 截止頻率截止頻率稱為特征頻率，即共發(fā)稱為特征頻率，即共發(fā)射極電流增益降為射極電流增益降

24、為1 1的頻的頻率率02iBRBBiEiCrbiCjcCjeRERCXBXdepEmitterBaseCollector例題：例題：n 根據(jù)簡化的根據(jù)簡化的HP模型確定共發(fā)射極組態(tài)截止頻率模型確定共發(fā)射極組態(tài)截止頻率BEbVI r低頻時可不考慮電容，則：低頻時可不考慮電容，則：cmbIg r I所以：所以：0cmbIgrI高頻時，考慮電容：高頻時，考慮電容：1BEbrVIj r C01cmbebIg VIj r C則：則：1/ 2ffr C01cbIIjr C所以當：所以當：020/ 2TmffgC得得 ：則：則：開關(guān)特性開關(guān)特性n當晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)時，晶體管工作在截當晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)時，晶體管工作在截止模式，飽和模式。止模式，飽和模式。rtttt 21dttt 01 32ttt延時時間，延時時間，BEBE結(jié)由反偏到正偏勢壘區(qū)充電變窄結(jié)由反偏到正偏勢壘區(qū)充電變窄上升時間，上升時間，BEBE正偏，少子不斷注入基區(qū)，少子梯度不斷增大正偏，少子不斷注入基區(qū)，少子梯度不斷增大BEBE正偏，驅(qū)動晶體管進入飽和，更多少子注入基區(qū)，而后穩(wěn)定正偏，驅(qū)動晶體管進入飽和，更多少子注入基區(qū)，而后穩(wěn)定stttt 43ftttt 54存儲時間存儲時間。BEBE反偏，反偏，飽和態(tài)時注入的額外少子被抽取飽和態(tài)時注入的額外少子被抽取，在這個階，在這個階段因少子