尼曼半導體物理與器件第十二章

1、高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管1 雙極晶體管的工作原理雙極晶體管的工作原理 少子的分布少子的分布 低頻共基極電流增益低頻共基極電流增益 非理想效應非理想效應 等效電路模型等效電路模型 頻率上限頻率上限 大信號開關大信號開關 小結小結高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管2：在器件的兩個端點之間施加：在器件的兩個端點之間施加電壓，從而控制第三端的電流。電壓，從而控制第三端的電流。 最基本的三種晶體管最基本的三種晶體管：雙極晶體管、金

2、屬：雙極晶體管、金屬-氧化物氧化物-半導體場效應晶體管、結型場效應晶體管。半導體場效應晶體管、結型場效應晶體管。晶體管：在此器件中包含電子和空穴晶體管：在此器件中包含電子和空穴兩種極性兩種極性不同不同的載流子運動。的載流子運動。有有2個個pn結，結電壓的正負情況可以有多種結，結電壓的正負情況可以有多種組合，導致器件有不同的工作模式。組合，導致器件有不同的工作模式。 是一種電壓控制的電流源。是一種電壓控制的電流源。 兩種等效電路模型，適用于不同的情況。兩種等效電路模型，適用于不同的情況。高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管3 三個摻雜不同的擴散區(qū)、兩個三

3、個摻雜不同的擴散區(qū)、兩個pn結結 三端分別為發(fā)射極（三端分別為發(fā)射極（E）、基極（）、基極（B）、集電極（）、集電極（C） 相對于少子擴散長度，相對于少子擴散長度，基區(qū)寬度很小基區(qū)寬度很小 發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，集電區(qū)摻雜濃度最低集電區(qū)摻雜濃度最低 pn結的結論將直接應用于雙極晶體管的研究結的結論將直接應用于雙極晶體管的研究 雙極晶體管不是對稱器件，包括雙極晶體管不是對稱器件，包括摻雜濃度摻雜濃度和和幾幾何形狀何形狀高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件4(a)npn型型(b)pnp型雙極晶體管的簡化結構圖及電路符號型雙極晶體管的簡化結構圖及電路符號(a)集成電路中的常規(guī)集成

4、電路中的常規(guī)npn型雙極晶體管型雙極晶體管(b)氧化物隔離的氧化物隔離的npn型雙極晶體管截面圖型雙極晶體管截面圖第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管5（1）基本工作原理）基本工作原理均勻摻雜的均勻摻雜的npn型雙極晶體管的理想化摻雜濃度分布圖型雙極晶體管的理想化摻雜濃度分布圖(a)npn型雙極晶體管工作在正向有源區(qū)的偏置情況型雙極晶體管工作在正向有源區(qū)的偏置情況(b)工作于正向有源區(qū)，工作于正向有源區(qū)，npn型型雙極晶體管中少子的分布雙極晶體管中少子的分布(c)零偏和正向有源區(qū)時，零偏和正向有源區(qū)時，npn型雙極

5、晶體管的能帶圖型雙極晶體管的能帶圖圖中顯示了正向有源模式下電子從圖中顯示了正向有源模式下電子從n型發(fā)射區(qū)注入（因此稱為型發(fā)射區(qū)注入（因此稱為發(fā)發(fā)射區(qū)射區(qū)）和電子在集電區(qū)被收集（因此稱為）和電子在集電區(qū)被收集（因此稱為集電區(qū)集電區(qū)）的截面圖）的截面圖B-E結正偏結正偏，B-C結反偏結反偏（正向有源模式正向有源模式）-共基共基B-E結正偏結正偏：電子從發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結：電子從發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結注入到基區(qū)；注入到基區(qū)；B-C結反偏結反偏：理想情況下：理想情況下B-C結邊界處，結邊界處，少子電子的濃度為零。少子電子的濃度為零。圖圖(b)中電子濃度梯度標明：發(fā)射區(qū)注中電子濃度梯度標明：發(fā)射區(qū)注入的電子會越

6、過基區(qū)擴散到入的電子會越過基區(qū)擴散到B-C結的空結的空間電荷區(qū)，那里的電場會把電子掃到集間電荷區(qū)，那里的電場會把電子掃到集電區(qū)。電區(qū)。為了使盡可能多的電子到達集電區(qū)，而為了使盡可能多的電子到達集電區(qū)，而不是和基區(qū)多子空穴復合；與少子電子不是和基區(qū)多子空穴復合；與少子電子擴散長度相比，擴散長度相比，基區(qū)寬度必須很小基區(qū)寬度必須很小。當基區(qū)寬度很小時，少子當基區(qū)寬度很小時，少子電子濃度是電子濃度是B-E結電壓和結電壓和B-C結電壓的函數(shù)結電壓的函數(shù)。兩個結距離很近兩個結距離很近互作用互作用pn結結。npn型雙極晶體管的橫截面圖型雙極晶體管的橫截面圖高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件6（2）晶

7、體管電流的簡化表達式）晶體管電流的簡化表達式短基區(qū)短基區(qū)第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管理想情況下，理想情況下，基 區(qū) 少 子 電基 區(qū) 少 子 電子 濃 度 是 基子 濃 度 是 基區(qū) 寬 度 的區(qū) 寬 度 的 線線性 函 數(shù)性 函 數(shù) ， 表， 表明明 沒 有 復 合沒 有 復 合發(fā) 生發(fā) 生 。 電 子。 電 子擴散過基區(qū)，擴散過基區(qū)，后被后被B-C結空結空間 電 荷 區(qū) 電間 電 荷 區(qū) 電場場 掃 入 集 電掃 入 集 電區(qū)區(qū)。高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件7 000BCnBEnBEBdn xnieD AeD Adxx 集電極電流：擴散電流集電極電流：擴散電流 00e

8、xpBEBBtVnnV0expexpnBEBEBECBsBtteD AVVinIxVV 僅考慮大小晶體管晶體管基本工作原理基本工作原理：器件：器件一端的電流一端的電流由加到由加到另外兩端的電壓另外兩端的電壓控制控制集電極電流集電極電流基極和發(fā)射基極和發(fā)射極間的電壓極間的電壓第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件8 發(fā)射極電流：發(fā)射極電流：expBECstViIV稱為稱為共基極電流增益共基極電流增益。該增益盡可能接近。該增益盡可能接近1 1?？偟陌l(fā)射極電流為：總的發(fā)射極電流為：一部分一部分電流是發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流，即電流是發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流，即

9、iC。另一部分另一部分電流是正偏電流是正偏B-E結電流，即結電流，即iE2。22expBEEstViIV2expBEECEsEtViiiIVCEii常數(shù)第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件9 基極電流：基極電流：expBEBbtViV為為共發(fā)射極電流增益共發(fā)射極電流增益，其值遠大于，其值遠大于1（數(shù)量級為（數(shù)量級為100或更大）?；蚋螅??？偟幕鶚O電流為：總的基極電流為：一部分一部分電流電流iBa是是B-E結電流，即結電流，即iE2。另一部分另一部分是基區(qū)空穴復合電流，記為即是基區(qū)空穴復合電流，記為即iBb。直接依賴于基區(qū)中少子電子的數(shù)量。直接依賴于基

10、區(qū)中少子電子的數(shù)量。22expBEEstViIV2expBEBEBbtViiiVCBii常數(shù)第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管10B-E反偏反偏，B-C反偏反偏：截止截止。B-E正偏正偏，B-C反偏反偏：正向有正向有源區(qū)源區(qū)。B-E正偏正偏，B-C正偏正偏：飽和飽和。 B-E反偏反偏，B-C正偏正偏：反向有反向有源區(qū)源區(qū)。共射共射高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件11 雙極晶體管和其他元件相連，雙極晶體管和其他元件相連，可實現(xiàn)電壓、電流放大?？蓪崿F(xiàn)電壓、電流放大。 正向有源區(qū)，電壓增益，電壓正向有源區(qū)，電壓

11、增益，電壓放大器放大器共射共射第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管12雙極晶體管的電流是由雙極晶體管的電流是由少子的擴散少子的擴散決定的。決定的。高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件13 均勻摻雜均勻摻雜npn雙極晶體管。雙極晶體管。 單獨考慮每個區(qū)域時，將起點移到空間電荷區(qū)邊界，采用正單獨考慮每個區(qū)域時，將起點移到空間電荷區(qū)邊界，采用正的坐標值。的坐標值。 中性集電區(qū)長度中性集電區(qū)長度比集電區(qū)內少子擴散長度大得多。比集電區(qū)內少子擴散長度大得多。 中性發(fā)射區(qū)中性發(fā)射區(qū)有限長，假設有限長，假設x=xE處處表面復合

12、速率表面復合速率無限大，即此無限大，即此處過剩少子濃度為零。處過剩少子濃度為零。第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件14基區(qū)基區(qū)穩(wěn)態(tài)下，穩(wěn)態(tài)下，過剩少子過剩少子電子電子濃度濃度可通過可通過雙極輸運方程雙極輸運方程得到。得到。中性區(qū)，電場為零，無過剩載流子產生，穩(wěn)態(tài)下輸運方程中性區(qū)，電場為零，無過剩載流子產生，穩(wěn)態(tài)下輸運方程 2200BBBBnxnxDx expexpBBBxxnxABLL通解表示為通解表示為 00exp1BEBBeVnnkTB-E結正偏結正偏邊界條件：邊界條件：B-C結反偏結反偏0BBBnxn 0exp1BBEBBBneVnxxxxxk

13、T通過通過線性近似線性近似得：得：第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件15發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)同樣，使用穩(wěn)態(tài)下過剩少子的雙極輸運方程同樣，使用穩(wěn)態(tài)下過剩少子的雙極輸運方程 2200EEEEpxpxDx expexpEEExxpxCDLL 通解表示為通解表示為 00exp1BEEEeVppkTB-E結正偏結正偏邊界條件：邊界條件：x =xE處，表面復合速度無限大處，表面復合速度無限大0EEpx 0exp1EBEEEEpeVpxxxxkT通過通過線性近似線性近似得：得：第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件16集電區(qū)集電區(qū)穩(wěn)

14、態(tài)下過剩少子輸運方程穩(wěn)態(tài)下過剩少子輸運方程2200CCCCpxpxDxexpexpCCCxxpxEFLL 通解表示為通解表示為 00CpE 集電區(qū)無限長集電區(qū)無限長邊界條件：邊界條件：B-C結反偏結反偏 00CCpp 0expCCCxpxpL 集電區(qū)過剩少子濃度：集電區(qū)過剩少子濃度：第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件17 00exp1EBEEEEEEpeVpxpxpxxxkT 00exp1BBEBBBBBneVnxnxnxxxxkT00 expCCCCCpxpxpxpL 第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第

15、十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管18（a）截止截止：B-E結，結，B-C結均反偏，空間電荷結均反偏，空間電荷區(qū)邊界少子濃度均為零。區(qū)邊界少子濃度均為零。（b）飽和飽和：B-E結，結，B-C結均正偏，空間電荷結均正偏，空間電荷區(qū)邊界存在過剩少子。區(qū)邊界存在過剩少子。高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件19 反向有源區(qū)反向有源區(qū)：B-E結反偏，結反偏，B-C結正偏。結正偏。 與正向有源區(qū)中的發(fā)射與正向有源區(qū)中的發(fā)射極、集電極極、集電極電流反向電流反向。 由于由于B、E區(qū)相對摻雜濃區(qū)相對摻雜濃度和度和B、C區(qū)相對摻雜濃區(qū)相對摻雜濃度不同，度不同，非幾何對稱非幾何對稱，兩者的特性大不相同。兩者

16、的特性大不相同。第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件20npn型晶體管，正向有源區(qū)，粒子流密度和粒子流成分型晶體管，正向有源區(qū)，粒子流密度和粒子流成分從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流流到達集電區(qū)的電子流到達集電區(qū)的電子流從基區(qū)注入發(fā)從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴流射區(qū)的空穴流正偏正偏B-E結結空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)復合電子流復合電子流反偏反偏B-C結空間電結空間電荷區(qū)產生空穴流荷區(qū)產生空穴流B-C結的反結的反向飽和電流向飽和電流基區(qū)復合時需要基區(qū)復合時需要補充的空穴流補充的空穴流第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等

17、半導體物理與器件21流入基區(qū)補充因復流入基區(qū)補充因復合而消失合而消失 的空穴流的空穴流發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)x=0處少處少子空穴擴散電流子空穴擴散電流正偏正偏B-E結中載結中載流子復合電流流子復合電流基區(qū)基區(qū)x=0處少子處少子電子擴散電流電子擴散電流基區(qū)基區(qū)x=xB處少子處少子電子擴散電流電子擴散電流反偏反偏B-C結中結中產生電流產生電流反偏反偏B-C結結飽和電流飽和電流第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件22小信號或是正弦信號的共基極電流增益小信號或是正弦信號的共基極電流增益CnCTEnERpEJJJJJJ nEnEpEJJJ 發(fā)射極注入效率系數(shù)發(fā)射極注入效率

18、系數(shù)nCTnEJJ基區(qū)輸運系數(shù)基區(qū)輸運系數(shù)nEpEnERpEJJJJJ復合系數(shù)復合系數(shù)考慮了考慮了發(fā)射區(qū)中的少子空穴擴散電流對電流增益的影響發(fā)射區(qū)中的少子空穴擴散電流對電流增益的影響?？紤]了考慮了基區(qū)中過剩少子電子的復合的影響基區(qū)中過剩少子電子的復合的影響?？紤]了考慮了正偏正偏B-E結中的復合的影響結中的復合的影響。第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管23（1）基區(qū)寬度調制效應（厄爾利效應）基區(qū)寬度調制效應（厄爾利效應） B-C結反偏電壓增加結反偏電壓增加B-C結空間電荷區(qū)寬結空間電荷區(qū)寬度增加度增加基區(qū)擴散區(qū)寬度

19、減小基區(qū)擴散區(qū)寬度減小少子濃度梯度增加少子濃度梯度增加集電極電流增加集電極電流增加高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管24 IC受受VBE控制，因此兩者有一對應關系控制，因此兩者有一對應關系 理想情況下，理想情況下，Ic與與VBC無關（上圖中曲線斜率為零）無關（上圖中曲線斜率為零） 由于存在基區(qū)寬度調制效應，上圖中曲線傾斜由于存在基區(qū)寬度調制效應，上圖中曲線傾斜 厄爾利電壓（厄爾利電壓（|VA|），描述晶體管特性一共有參數(shù)），描述晶體管特性一共有參數(shù) 制造誤差引起窄基區(qū)晶體管制造誤差引起窄基區(qū)晶體管xB變化，導致變化，導致IC變化變化高等半導體物理與器

20、件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管25 大注入晶體管發(fā)生兩種效應大注入晶體管發(fā)生兩種效應發(fā)射極注入效率會降低發(fā)射極注入效率會降低基區(qū)過剩少子濃度和集電極電基區(qū)過剩少子濃度和集電極電流隨流隨B-E結電壓增大的速度變緩結電壓增大的速度變緩 發(fā)射極注入效率系數(shù)發(fā)射極注入效率系數(shù) 左圖為小注入和大注入時，左圖為小注入和大注入時，基區(qū)中少子和多子濃度基區(qū)中少子和多子濃度nEnEpEJJJ實線實線為小注入，為小注入，虛線虛線為大注入為大注入高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管26 小電流小電流時增益較?。簳r增益較小：復合系數(shù)較小復合系數(shù)較

21、小 大電流大電流時增益下降：時增益下降：大注入效應的影響大注入效應的影響高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管27 基區(qū)過剩少子濃度和集電極電流隨基區(qū)過剩少子濃度和集電極電流隨B-E結電壓增大的速度變緩結電壓增大的速度變緩小注入基區(qū)空間電荷區(qū)邊界處小注入基區(qū)空間電荷區(qū)邊界處 00expappeVnnkT 00pppp 00exp2appeVnnkT 0000expappppeVnpnpkT則則大注入大注入np(0)、pp(0)基本處于同一量級基本處于同一量級同同pn結二極管中的串聯(lián)電阻效應近似結二極管中的串聯(lián)電阻效應近似高等半導體物理與器件高等半導體物理

22、與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管28發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)摻雜很高摻雜很高時，由于禁帶變窄效應，使電流增益比預期小。時，由于禁帶變窄效應，使電流增益比預期小。發(fā)射區(qū)摻雜濃度對基區(qū)摻雜濃度比值增加，發(fā)射極注入效率會發(fā)射區(qū)摻雜濃度對基區(qū)摻雜濃度比值增加，發(fā)射極注入效率會增加并接近于增加并接近于1。高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管29 基區(qū)寬度很?。ǖ湫椭祷鶇^(qū)寬度很?。ǖ湫椭?微米）微米） 基區(qū)電阻相當大基區(qū)電阻相當大 導致發(fā)射區(qū)下存在橫向電勢差導致發(fā)射區(qū)下存在橫向電勢差 相對于中心，較多電子從邊緣注入相對于中心，較多電子從邊緣注入 發(fā)射極電流集中在邊

23、緣發(fā)射極電流集中在邊緣高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管30兩種擊穿機制：兩種擊穿機制： 穿通穿通 隨著反偏隨著反偏B-C結電壓的增加，結電壓的增加，B-C空間電荷區(qū)寬空間電荷區(qū)寬度擴展進中性基區(qū)中，度擴展進中性基區(qū)中，B-C結耗盡區(qū)穿透基區(qū)到結耗盡區(qū)穿透基區(qū)到達達B-E結。結。 雪崩擊穿雪崩擊穿高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管31（1）E-M模型：適用于任何模式模型：適用于任何模式E-M模型中定義的電流模型中定義的電流方向、電壓極性方向、電壓極性基本基本E-M模型等效電路模型等效電路高等半導體物理與器件

24、高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管32 與與E-M模型相比，考慮了更多的物理特性，可用于模型相比，考慮了更多的物理特性，可用于分析分析基區(qū)為非均勻摻雜基區(qū)為非均勻摻雜的情況。的情況。（3）H-P模型模型 小信號，線性放大電路，正向有源區(qū)小信號，線性放大電路，正向有源區(qū)H-P等效電路等效電路高等半導體物理與器件高等半導體物理與器件第十二章第十二章 雙極晶體管雙極晶體管33（1）延時因子）延時因子 雙極晶體管是一種時間渡越器件雙極晶體管是一種時間渡越器件 發(fā)射區(qū)到集電區(qū)的總時間常數(shù)可由發(fā)射區(qū)到集電區(qū)的總時間常數(shù)可由4個相互獨立的時間常數(shù)組個相互獨立的時間常數(shù)組成成（2）晶體管截止頻率）晶體管截止頻率 電流增益是頻率的函數(shù)電流增益是頻率的函數(shù) 截止頻率截止頻率f：共基極電流增益幅值變?yōu)槠涞皖l值的：共基極電流增益幅值變?yōu)槠涞皖l值的0.707時的時的頻率頻率 截止頻率截止頻率fT：共發(fā)射極電流增益的幅值為：共發(fā)射極電流增益的幅值為1時的頻率時的頻率 截止頻率截止頻率f：共發(fā)射極電流增益幅值下降到其低