晶體管原理(3-3)

1、 本節(jié)以本節(jié)以 NPN 管為例，結電壓為管為例，結電壓為 VBE 與與 VBC 。PN+N0 xjcxjeNE(x)NB(x)NCx0 xjcxje 本節(jié)求基區(qū)輸運系數(shù)本節(jié)求基區(qū)輸運系數(shù) 的思路的思路BbnEQJ 進而求出基區(qū)渡越時間進而求出基區(qū)渡越時間 bB1 將將 E 代入少子電流密度方程，求出代入少子電流密度方程，求出 JnE 、nB (x) 與與 QB 令基區(qū)多子電流密度為零，解出基區(qū)內(nèi)建電場令基區(qū)多子電流密度為零，解出基區(qū)內(nèi)建電場 E 最后求出最后求出 基區(qū)雜質分布的不均勻會在基區(qū)中產(chǎn)生一個內(nèi)建電場基區(qū)雜質分布的不均勻會在基區(qū)中產(chǎn)生一個內(nèi)建電場 E ，使少子在基區(qū)內(nèi)以漂移運動為主，使

2、少子在基區(qū)內(nèi)以漂移運動為主，所以所以緩變基區(qū)晶體管又緩變基區(qū)晶體管又稱為稱為漂移晶體管。漂移晶體管。 3.3.1 基區(qū)內(nèi)建電場的形成基區(qū)內(nèi)建電場的形成NB(x)NB(WB)NB(0)WB0 x 在實際的緩變基區(qū)晶體管中，在實際的緩變基區(qū)晶體管中， 的值為的值為 4 8 。 設基區(qū)雜質濃度分布為設基區(qū)雜質濃度分布為式中式中 是表征基區(qū)內(nèi)雜質變化程度的一個參數(shù)，是表征基區(qū)內(nèi)雜質變化程度的一個參數(shù)， 當當 時為均勻基區(qū)；時為均勻基區(qū)；BBBexp)0()(WxNxN)()0(lnBBBWNNexp)0()(BBBNWN0 因為因為 ， ，所以內(nèi)建電場對渡越基區(qū)的電子起，所以內(nèi)建電場對渡越基區(qū)的電子起

3、加速作用，是加速作用，是 加速場加速場 。 令基區(qū)多子電流為零，令基區(qū)多子電流為零，BpppBd( )( )0dpxJqDqpx Ex解得解得 內(nèi)建電場內(nèi)建電場 為為0E Bd0dNxpBpBd( )1( )dDpxEpxx 小注入時，基區(qū)中總的多子濃度即為平衡多子濃度，小注入時，基區(qū)中總的多子濃度即為平衡多子濃度，)()()(BBOBxNxpxpnBnBd( )1( )dDNxNxx 將基區(qū)內(nèi)建電場將基區(qū)內(nèi)建電場 E 代入電子電流密度方程，可得注入基區(qū)代入電子電流密度方程，可得注入基區(qū)的少子形成的電流密度（其參考方向為從右向左）為的少子形成的電流密度（其參考方向為從右向左）為 3.3.2 基

4、區(qū)少子電流密度與基區(qū)少子濃度分布基區(qū)少子電流密度與基區(qū)少子濃度分布BBBBnEnnBnnBddddddnnnNJqDqn EqDqDxxNx BBnEBnBB00ddWWJNxqDn N 01exp)(BCB0BBkTqVnWn BBnEBnBBddddnNJNxqDNnxx BBnddn NqDx nBBBBBB()()(0)(0)qDnWNWnN nBB(0)(0)qD nNBnBBnEB0(0)(0)dWqD nNJNx1exp)0()0(BEB2iBkTqVNnnB2niBEB0exp1dWqD nqVkTNx 上式實際上也可用于均勻基區(qū)晶體管。對于均勻基區(qū)晶體上式實際上也可用于均勻基

5、區(qū)晶體管。對于均勻基區(qū)晶體管，管，NB 為常數(shù)，這時為常數(shù)，這時2nBniBEnEBBB(0)exp1qD nqD nqVJWW NkT 下面求基區(qū)少子分布下面求基區(qū)少子分布 nB (x) 。 在前面的積分中將下限由在前面的積分中將下限由 0 改為基區(qū)中任意位置改為基區(qū)中任意位置 x ，得：，得：BnBBnEB( )( )dWxqD nx NxJNx由上式可解出由上式可解出 nB (x) 為為 BBBBnBnEBnBBBnEBn( )( )d( )0 expd( )1 exp1WnExWxJnxNx xqD NxJxNxqD NxWx WJ WqDBnBBnEB0(0)(0)dWqD nNJN

6、x 對于均勻基區(qū)，對于均勻基區(qū)， nEBBB0nBBlim101J WxxnxnqDWW 對于對于緩變基區(qū)晶體管，緩變基區(qū)晶體管，當當 較大時，上式可簡化為較大時，上式可簡化為3.3.3 基區(qū)渡越時間與輸運系數(shù)基區(qū)渡越時間與輸運系數(shù)注：將注：將 Dn 寫為寫為 DB ，上式可同時適用于，上式可同時適用于 PNP 管和管和 NPN 管。管。 對于均勻基區(qū)對于均勻基區(qū)晶體管晶體管， B2Bb02limDW 可見，可見，內(nèi)建電場的存在使少子的基區(qū)渡越時間大為減小。內(nèi)建電場的存在使少子的基區(qū)渡越時間大為減小。 B2B0BBbnEnEnd2112WqnxxQWeJJD1122B2BbDW 利用上面得到的

7、基區(qū)渡越時間利用上面得到的基區(qū)渡越時間 b ，可得，可得緩變基區(qū)晶體管的緩變基區(qū)晶體管的基區(qū)輸運系數(shù)基區(qū)輸運系數(shù) 為為1122112B2BBbLW 3.3.4 注入效率與電流放大系數(shù)注入效率與電流放大系數(shù)22BEnEpB1ni2BEpnB1iexp1exp1qVJqRD nkTqVqkTRnkT 口口BB1pB01dWRqNx口 根據(jù)非均勻材料方塊電阻表達式，緩變基區(qū)的方塊電阻為根據(jù)非均勻材料方塊電阻表達式，緩變基區(qū)的方塊電阻為于是于是 JnE 可表示為可表示為B2niBEnEB0exp1dWqD nqVJkTNx 已知已知（3-43a） 類似地，可得從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴形成的電流密度為類似

8、地，可得從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴形成的電流密度為式中，式中，2BEnEnpB1iexp1qVJqkTRnkT 口2BEpEnpEiexp1qVJqkTRnkT 口EEnE01dWRqNx口（3-43a）（3-43b）1BE1BEnEpEpEnEnEEnE11111口口口口RRRRJJJJJJJ 于是可得緩變基區(qū)晶體管的注入效率于是可得緩變基區(qū)晶體管的注入效率 以及緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)以及緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)2EB2BB1121EBBB1211112121112RWLRRWLR 口口口口 3.3.5 小電流時電流放大系數(shù)的下降小電流時電流放大系數(shù)的下降 實測表明，實測表明， 與發(fā)射

9、極電流與發(fā)射極電流 IE 有如下所示的關系。有如下所示的關系。 原因：原因：當發(fā)射結正向電流很小時，發(fā)射結勢壘區(qū)復合電流當發(fā)射結正向電流很小時，發(fā)射結勢壘區(qū)復合電流密度密度 JrE 的比例將增大，使注入效率下降。的比例將增大，使注入效率下降。 當電流很小時，相應的當電流很小時，相應的 VBE 也很小，這時也很小，這時 很大，使很大，使 減小，從而使減小，從而使 減小。減小。式中，式中，nErE1B口ErEpEnEnEEnE11JJRRJJJJJJ口 當當 JrE 不能被忽略時，注入效率為不能被忽略時，注入效率為kTqVnLNxJJ2exp2BEiBEdnErEnErEJJ 隨著電流增大，隨著電

10、流增大， 減小，當減小，當 但仍不能被忽略時，但仍不能被忽略時，nErEJJ1nErEJJnErE1BE1JJRR口口 當電流很大時，當電流很大時， 又會開始下降，這是由于大注入效應和又會開始下降，這是由于大注入效應和基區(qū)擴展效應引起的?；鶇^(qū)擴展效應引起的。 當電流繼續(xù)增大到當電流繼續(xù)增大到 可以被忽略時，則可以被忽略時，則nErEJJ1BE1口口RR 3.3.6 發(fā)射區(qū)重摻雜的影響發(fā)射區(qū)重摻雜的影響 當發(fā)射區(qū)摻雜濃度當發(fā)射區(qū)摻雜濃度 NE 太高時，不但不能提高太高時，不但不能提高注入效率注入效率 ，反而會使其下降，從而使，反而會使其下降，從而使 和和 下降。下降。 原因：發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄原

11、因：發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄 與與 發(fā)射區(qū)俄歇復合增強發(fā)射區(qū)俄歇復合增強 。 1、發(fā)射區(qū)重摻雜效應、發(fā)射區(qū)重摻雜效應 對于室溫下的硅對于室溫下的硅 ，21sE2sG163kTNqqE12EG1822.5meV10NE (1) 禁帶變窄禁帶變窄GEVEVECECEGEGE 發(fā)射區(qū)禁帶變窄后，會使其本征載流子濃度發(fā)射區(qū)禁帶變窄后，會使其本征載流子濃度 ni 發(fā)生變化，發(fā)生變化，2GiBCV222GGGiECViBiB2BEnEpnB1iB2BEpEpnEiE2pEEEGiE2nEB1iBB1expexpexpexp1exp1expEnN NkTEEEnN NnnkTkTqVJqkTRnkTqVJqkTR

12、nkTJRREnJRnRkT 口口口口口口pEEGnEB111expJREJRkT 口口NE 增大而下降，從而導致增大而下降，從而導致 與與 的下降。的下降。增大而先增大。但當增大而先增大。但當 NE 超過超過 ( 1 5 ) 1019 cm-3 后，后， 反而隨反而隨 隨著隨著 NE 的增大，的增大， 減小，減小， 增大，增大， 隨隨 NE1BE口口RR kTEGexpEGB11expRERkT口口 (2) 俄歇復合增強俄歇復合增強EEEDNELpEJ 2、基區(qū)陷落效應、基區(qū)陷落效應 當發(fā)射區(qū)的磷摻雜濃度很高時，會使發(fā)射區(qū)下方的集電結當發(fā)射區(qū)的磷摻雜濃度很高時，會使發(fā)射區(qū)下方的集電結結面向下

13、擴展，這個現(xiàn)象稱為結面向下擴展，這個現(xiàn)象稱為 基區(qū)陷落效應基區(qū)陷落效應。 由于基區(qū)陷落效應，使得結深不易控制，難以將基區(qū)寬度由于基區(qū)陷落效應，使得結深不易控制，難以將基區(qū)寬度做得很薄。做得很薄。 為了避免基區(qū)陷落效應，目前微波晶體管的發(fā)射區(qū)多采用為了避免基區(qū)陷落效應，目前微波晶體管的發(fā)射區(qū)多采用砷擴散來代替磷擴散。砷擴散來代替磷擴散。 3.3.7 異質結雙極晶體管異質結雙極晶體管（HBT） 式中，式中， ，當，當 時，時， ，則，則 GEGBGEEEGBGEEE0GE kTERRRRGB1EB1Eexp11口口異口口同1expG kTE同異 若選擇不同的材料來制作發(fā)射區(qū)與基區(qū)，使兩區(qū)具有不同若選擇不同的材料來制作發(fā)射區(qū)與基區(qū)，使兩區(qū)具有不同的禁帶寬度，則，的禁帶寬度，則， 常見的常見的 HBT 結構是用結構是用 GaAs 做基區(qū)，做基區(qū)，AlxGa1-xAs 做發(fā)射區(qū)。做發(fā)射區(qū)。另一種另一種 HBT 結構是用結構是用 SiGe 做基區(qū)，做基區(qū)，Si 做發(fā)射區(qū)。做發(fā)射區(qū)。 HBT 能提高注入效率，使能提高注入效率，使 得到幾個數(shù)量級的提高?；虻玫綆讉€數(shù)量級的提高?；蛟诓唤档妥⑷胄实那闆r下，大幅度提高基區(qū)摻雜濃度，從而在不降低注入效率的情況下，大幅度提高基區(qū)摻雜濃度，從而降低基極電阻，并為進一步減薄基區(qū)寬度提供條件。降