半导体器件原理.doc

第三章 双极晶体三极管双极型器件是电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件。单极型器件是只有一种载流子参与导电过程的半导体器件。从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电子和空穴两种载流子组成的，故由P-N结组成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体管是最重要的半导体器件之一。1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。本章主要讨论的内容就是双极晶体管基本理论。根据载流子分布推导出静态特性，频率响应和开关特性，以及异质结双极型晶体管和可控硅。可控硅也是双极型器件，有三个pn结，具有双稳特性高阻关态和低阻开态。3.1 晶体管的基本原理1、 基本结构及其杂质分布（1）基本结构双极晶体三极管的基本结构如图2.1所示。它是由两个P-N结共用一个基区组成的。（a）图为两个结共用一个N区，形成P-N-P结构。（b）图为两个结共用一个P区，形成N-P-N结构。在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电结。中间区域就叫基区，而另两个区与结相对应的被称作发射区和集电区。器件具有三个电极端子，分别称作发射极，基极和集电极。一般用符号E、B、C（或e、b、c）表示。在图2.1中给出了P-N-P和N-P-N两种类型晶体管的电路符号，其箭头指示的方向表示正常工作条件下的电流流动方向。图2.1 晶体管基本结构(a)P-N-P (b)N-P-N（2）晶体管工艺与杂质分布由于工艺技术的不断发展，特别是合金结、生长结、扩散、外延、平面技术、离子注入技术等都有很多突破，从而使双极晶体管功率和频率特性得到了很大的提高。当前，从生产实际看，主要结构系平面型和台面型，也有少量合金型。这就决定了晶体管各区的杂质分布亦不相同，如图2.2所示。(a)合金结晶体管结构和杂质分布(b)双扩散平面晶体管结构和杂质分布 (c)双扩散外延平面晶体管的结构和杂质分布 图2.2 三种类型的晶体管结构和杂质分布 a 合金管早期采用的合金工艺制造的晶体管。InGa球（受主杂质）和In金属球放在nGe两边，加热至金属球与Ge的共溶温度（小于Ge的溶解温度），形成液态合金，冷却后再结晶形成p型区。杂质分布的特点：三个区内杂质均匀分布，发射结、集电结为突变结。b 双扩散管现代硅平面工艺制造的晶体管。硅单晶片上氧化、光刻、扩散等工艺进行受主杂质扩散得到p型区。在p型区上进行高浓度施主杂质扩散得到n区，并制成电极。由杂质补偿原理得到杂质分布图。杂质分布特点：基区为缓变杂质分布，发射区杂质分布也缓变。由于晶体管的基区和发射区是由两次扩散工艺形成，又称双扩散管。合金工艺中，结深难以精确控制，基区较宽（10m左右），使得晶体管增益较低，频率特性较差。固态扩散工艺，可以精确控制结深，基区较窄（0.51.5m），并且管芯做得很小，所以增益频率特性很好，性能大大提高。（3）分类晶体管内部，载流子在基区的传输过程是决定晶体管的增益、频率特性等性能参数的重要指标。在基区宽度确定后，基区杂质分布是影响基区输运过程的关键因素，一般的，可以分为两大类： 均匀基区晶体管，传输机构以扩散为主，如合金管和全离子注入管。缓变基区晶体管。由于基区中存在自建电场，以漂移为主，如扩散管。晶体管基本理论就是按这两大类型建立发展的。2、 晶体管的放大原理以均匀基区P-N-P晶体管为例分析其基本物理图象。P-N-P晶体管正常工作条件下的偏置电路如图2.3所示图2.3 晶体管的正常偏置电路(基极接地)。可以看出：发射结为正向偏置，集电结为反向偏置，基极接地。这种偏置电路一般又称为共基极接法。图中所标示的电流电压方向均为实际的电流和电压方向。一个P-N-P均匀基区晶体管的物理结构、杂质分布、平衡态能带图和正常偏置条件下的能带图如图2.4所示图2.4 P-N-P均匀基区晶体管(a)物理结构图 (b)杂质分布图(c)平恒态能带图 (d)正常偏置下的能带图由于发射结（E-B结）正偏，于是空穴从P型发射区注入到基区（由以下几节分析可知， 虽然也有电子由基区注入到发射区，但其数量比注入到基区的空穴少得多）。形成发射结空穴注入电流IPE。当基区很薄时，发射结注入到基区的空穴绝大部分能够扩散到集电结，并由集电结中的强电场作用而运动到集电区，形成集电极电流IPC。发射结注入到基区的空穴，在向集电结扩散运动的过程中，将有很小一部分与基区多子复合而转换成基极的电子流，从而形成IBR。如图2.5所示图2.5 P-N-P晶体管电流输运示意图。发射结注入的空穴经过基区到达集电结被扫过形成输出电流。 （2-1）值得指出的是，集电结反向和电流IC0（也记为ICBO）也应当包括在晶体管的输出电流中。a是共基极电流放大系数。通常情况下，IC0很小，a又接近于1，因此 （2-2）由此可知，晶体管并无放大电流的能力。但是，晶体管发射结处于正偏，其正向微分电阻很小。而集电结处于反偏，结阻抗很高。一个数值几乎不变的电流，既能通过低阻的输入回路，又能通过高阻抗输出回路，这就意味着它具有电压放大和功率放大能力。由图2.3所示的电路可以得到电压增益为： （2-3）功率增益为： （2-4）由输出电路的负载匹配条件可知，晶体管的电压增益和功率增益是很大的。3、 晶体管端电流的组成如图所示，工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量为：IEP：从发射区注入的空穴电流，IEN：从基区注入到发射区的电子电流，ICN：集电区基区结附近的热电子漂移到基区形成的电流，ICP：集电区基区结的空穴注入电流。IBRIEPICP，基区内电子与空穴电流的复合而必须补充的电子电流。由上面知，晶体管端电流的内部组成：IEIEPIENICICPICNIBIEN（IEPICP）ICNIEIC 即IEICIB4、 晶体管的电流增益直流共基极电流放大系数（或电流增益）的定义为 （2-46）按照图2.5所示电流输运机理（PNP），a0由以下四个因子组成： （2-47）式中g0称为发射效率， （2-48）aT0称为基区运输系数， （2-49）根据aT0的定义，它反映了载流子在基区中的复合损失，为使aT0接近于1，要求基区中的复合损失越小越好。集电结势垒区产生雪崩倍增效应，使集电极电流迅速增大，此时，在电流放大系数中还应乘以集电结雪崩倍增因子M()。aC*称为集电区倍增系数； （2-50）一般说，aC*等于1，只有当集电区掺杂浓度很低时，aC*可能大于1。根据这些定义，有 （2-51）共发射极连接的直流电流放大系数（电流增益）定义为 （2-52）为导出0与a0的关系，我们考察图2.6(b)，把IB=IE-IC代入(2-52)式，可得 （2-53）5、均匀基区晶体管的电流增益1.发射效率：发射效率g0表示从发射区注入到基区的少子电流在发射极总电流中所占的比例大小。2.基区传输因子（基区输运系数）基区输运系数的物理意义在于它反映了到达集电结边界的少子电流（IPC）与发射结注入到基区的少子电流（IPE）之比值。3.集电区倍增系数和集电结倍增因子 晶体管中电流到达集电结后，可能产生倍增效应，即集电极电流大于到达集电结之空穴电流，追究其原因，一是集电区倍增效应；二是雪崩倍增效应。至于雪崩倍增效应,已在第一章作了讨论,这里我们仅讨论集电区倍增效应。集电区倍增效应主要发生在集电区电阻率比较高的晶体管中，这是由于当电流流过高电阻率的集电区时，产生较大的压降。集电区中有电场存在，这一电场使少数载流子（电子）流向集电结，集电区电阻率越高，产生的欧姆电场越强，集电区中平衡的少子浓度也越大，附加的少子漂移电流也越大，于是集电极电流与到达集电结的空穴电流之比也越大，即aC*越大。分析表明，在集电极电流较小的情况下，集电区倍增因子可表示为 （2-61）式中snC为只考虑电子时的集电区电导，spC为集电区电导。或者改写为P-N-P和N-P-N晶体管均适用的普遍表达式 （2-62）式中rC为集电区电阻率。由此可见，aC*与rC 有关，rC越大，aC*有可能明显大于1。另外，aC*还与ni有关，对于锗晶体管，只有rC5Wcm时，aC*才会大于1；硅晶体管，因ni很小，aC*接近1，仅当高温时，ni急剧上升，aC*才可能明显大于1。4.共基极电流增益和共发射极电流增益对大多数正常工作的晶体管，通常认定M1，aC*1。于是a0写为 （2-63）或取一级近似 （2-64）共发射极晶体管的电流放大系数（电流增益）为 （2-65）6、提高电流增益的一般原则晶体管的电流传输作用是晶体管具有放大能力的基础，晶体管具有放大作用需要满足下列条件，内部：发射结与集电结要相距很近，即WBpn0时，这样， （2-26） （2-27）而基极电流IB就是发射极电流和集电极电流之差： （2-28）式中A为结面积（假定了二结面积同为A）。以上三式就是晶体管的电流一电压方程。由于物理模型中做了很多假设，故又称为本征均匀基区P-N-P晶体管电流一电压方程。由上面的讨论可以看到，晶体管三个极的电流和基区内的少子分布有关。理想晶体管的基本关系式为：（1） 外加电压通过因子eqV/kT控制边界上的载流子浓度；（2） 发射极和集电极电流由边界处的少子浓度梯度给出，这两个电流和基区存贮电荷成正比；（3） 发射效率,在正常工作条件下，有eqVBE/KT1和eqVCB/KT1，且一般晶体管都具有WB/LPB1以及较大反压下的eqVCB/KT0时，对给定的基极电流IB，集电极电流IC不依赖于VEC。但实际上，IC随VEC的增加而增加。这种集电极电流不饱和现象可以用厄尔利效应来解释。，即当VEC增加时，基区宽度W减小，导致0增加，故IC增大。（4）有效基区扩展效应（Kirk效应）在大电流密度工作下的晶体管基区将会发生扩展，这一现象是柯克于1962年首先提出来的，所以也被称为柯克效应。由于现代大功率晶体管都是用扩散工艺制造，所以下面的讨论都是针对缓变基区晶体管的。a.注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响在n+pn-n+双扩散外延平面晶体管中，从发射结注入的少数载流子，在通过集电结空间电荷区时，对耗尽区中的正负空间电荷分别起着中和和添加作用，使n侧的正空间电荷减小，p侧的负空间电荷增多，因而空间电荷区边界将随着注入电流的变化而移动。在集电极电流密度为JC的情况下，强场下的载流子漂移速度已达极限速度VS，则通过空间电荷区的少子浓度 计入运动载流子对空间电荷区的影响时，N-侧的空间电荷密度变为NC-nC，P侧的空间电荷密度为NA+nC，空间电荷区的泊松方程 (N-侧) （2-174） (P侧) （2-175）对式(2-174)积分可得 （2-176）式中，e(0)表示冶金结x=0处的电场强度，且。可见，空间电荷区电场随x的增加而线性下降，其变化率与通过空间电荷区的电子浓度nC有关，并随nC增大而减小。对于平面晶体管，由于NCNB，集电结空间电荷区主要向N-集电区侧扩展。当忽略体串联电阻的影响时，可以认为外加电压基本上降落在N-侧，对于电场e(x)积分可得 （2-177）显然，当集电极偏置电压一定时，e(x)所包围的面积不变。因而外加电压可用图2.33所示三角形面积表示。强场下，nC=JC/qVS，nC在空间电荷区内不随x变化，但随注入电流JC的增长而增加。当通过空间电荷区的载流子浓度nCNC后，由场随x的增大而上升，电场随x变化的斜率由正变负，且随注入电流的增长而增大。同时，N-区变为负空间电荷区，负空间电荷区的电荷密度NC-nC随注入电流的增长而变大，负空间电荷区的边界随注入电流的增加而向N-区收缩。当其边界移至PN-冶金结处时，电流再增大，有效基区边界将进入N-区而出现基区扩展效应。b.基区扩展效应由前面讨论可知：当JC增加到e(0)=0时，负空间电荷区的边界移到PN-结处。电流JC再增大，空间电荷区边界将移入N-区内，即出现基区扩展效应。因而定义e(0)=0时的注入电流密度JC为基区扩展效应临界电流密度JCr，令式(2-176)中e(0)=0可得 （2-178）将上式在集电结空间电荷区内从x=0到x=WC进行积分，则得 （2-179）因此，强场下出现基区扩展效应的临界电流密度 （2-180）可见临界电流密度JCr由集电区掺杂浓度NC，厚度WC和外加偏置电压VCB共同决定。当集电区厚度WC和掺杂浓度NC较大，偏置电压VCB不太高时，临界电流密度JCr主要由NC决定。若NC和WC都较小，且VCB较高时，式(2-180)中第二项将起主要作用。实际晶体管中，当Nc和Wc都较小时，VCB也不会太高。因此，强场下发生基区扩展效应临界电流密度JCr往往由集电区掺杂浓度NC决定。注入电流密度JC大于JCr时，基区开始向集电区内扩展，如图2.34所示，图2.34 基区扩展一维模型。若空间电荷区的边界已收缩到DWB处，则此处电场E（DWB）=0。在DWB到WC的空间电荷区内再一次用泊松方程求解，并利用E（DWB）=0的边界条件可得 （2-181）由式(2-180)和(2-181)可以求出扩展基区宽度 （2-182）可见，注入电流JCJCr后，基区在N-区内扩展的宽度DWB随着JC的增加而展宽。当JC远大于JCr时，有效基区可以一直扩展到N-区与衬底N+的交界面，DWBWC。由于基区扩展使总的有效基区宽度变为 （2-183）有效基区扩展,使基区渡越时间为（已考虑大注入条件） （2-184）考虑到集电结势垒区变窄，集电结势垒区渡越时间应修正为 （2-185）于是，特征频率可表示成 (2-186)上式表明，随着IE的增加，开始wT上升，随后由于有效基区扩展效应而下降。（5）饱和电流和击穿电压1、晶体管的反向电流1.ICBO当发射极开路时，集电极一基极的反向电流定义为ICBO，如图2.14所示。图2.14 测量ICB0的示意图。反向电流主要由少子电流及多子电流两部分组成，由于集电结加反向偏压，势垒区两边的少子浓度比平衡时的少子浓度低得多，因此基区中的少子（电子）及集电区中的少子（空穴）都向结区扩散，形成反向电流的少子部分，而少子则由体内复合中心及界面态复合中心产生，锗晶体管的反向电流主要是少子电流。势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的，它是多子电流，也构成了反向电流，硅晶体管的反向电流主要是多子电流。根据ICBO的定义及(2-26)和(2-27)式，可以求得少子部分的反向电流为 （2-76）2.IEBO集电极开路时发射极一基极结的反向电流定义为IEBO，与求取ICBO时类似，可通过(2-26)及(2-27)式求得为（2-77）式中aR是晶体管的共基极倒向电流增益。3.ICEO基极开路（IB=0）时的集电极-发射极反向电流，称为ICEO，见图2.15，图2.15 测量ICE0的示意图。由于集电极电流与发射极电流如下关系： 在测试ICEO时，基极开路，故 因此 （2-78）式中b是共射极电流放大系数。需注意，b是集电极电流为ICEO时的电流放大系数，比正常工作时的b要小得多。4.VBEO在测量ICBO时，发射极开路，发射极一基极间存在电位差，称为发射结浮动电压，用VBEO表示。根据(2-26)式IE=0，此时的VBE即VBEO，因此有 （2-79）一般说，a0值在0.980.99，由此得VBEO为100120mV。对锗管，此结果与实验值基本相符；但硅管在室温时VBEO小于1mV。在说明这种差别的原因之前,我们先定性解释VBEO的来源:当集电结加反向偏压时，基区中的少子被抽向集电极，由于发射极开路，使发射结两边的载流子不平衡，发射结的多子通过发射结流入基区，以补充基区少子的流失，发射区多子流向基区，使发射区带电，对N-P-N晶体管来说，发射区带正电，于是就出现正的浮动电压VBEO。稳态时，该电压使来自基区（或势垒区）的电子电流与发射区流向基区的电子电流之和为零，VBEO不再变化。基于上述分析，发射极浮动电压与基区的少子电流或势垒区的产生电流有关，如N-P-N晶体管，就只与它的电子电流分量有关，因此有锗、硅普适的表达式： （2-80）其中C为常数，单位为，室温时C约为105。由于硅管的ICBO比锗管小得多，因此前者的发射极浮动电压也比后者小得多。2、晶体管的击穿电压1.BVEBO和BVCBO定义集电极开路时发射极一基极的击穿电压为BVEBO；定义发射极开路时集电极一基极击穿电压为BVCBO，它们可用第一章中讨论P-N结击穿电压的公式计算之。应注意的是，若发射结两边的掺杂浓度颇高，则可能发生隧道击穿或介于雪崩击穿和隧道击穿之间；一般情况下，晶体管中P-N结的击穿皆为雪崩击穿，此时才可用第一章中所列公式计算。2.BVCEO、BVCER、BVCEX、BVCES我们定义：基极开路，集电极一发射极的击穿电压为BVCEO；基极一发射极短路，集电极一发射极的击穿电压为BVCES；基极一发射极接电阻RB，集电极一发射极的击穿电压为BVCER；基极一发射极接电阻RB和反偏电压VBB，集电极一发射极的击穿电压为BVCEX。上述各击穿电压的相应电路和击穿特性示于图2.16。首先讨论BVCEO。基极开路时的集电极电流为图2.16 共发射极击穿电压图2.17 基极开路时C-E的伏安特性当集电结发生雪崩击穿时，ICBO及a都应乘上雪崩倍增因子M，有 （2-81）当aM=1时，集电极电流可为任意大，此时发生击穿。有不少管子在发生击穿（图2.16上的BVCEO处）后通过一段负阻而到达稳定电压VSUS，通常我们称VSUS为维持电压。这里我们将定性说明为什么有的管子会出现这种现象，为此我们将伏安特性曲线重画于2.17，考察曲线1及2两种情况。设该两管子的ICBO一样，在同样的VCB下M也一样，大电流下的a值也一样；它们的差别是当电流较小时，管2的a已很快下降，而管1的a则并未下降或下降不多，仅当电流很小时它才下降。在电流较大时，该两管都处于VSUS；当IC下降至某一值时，由(2-81)式可知，a仍维持原值或接近原值的管1应使M减小，也就是要求VCB降低，于是曲线向左移动；但管2的a值在此时已变小，要求M值较大才能维持IC值，因此必须有更高的电压才能得到较大的M值，即曲线向右移动，这就使管2出现负阻区。当IC很小时，对应的M也应下降，曲线2的点子又重新左移，于是得图2.17所示的击穿特性。由雪崩倍增因子的经验公式，得根据(2-81)式，M=1/a时发生击穿，此时应为维持电压VSUS，于是 （2-82）设某管的BVCBO=100V，b=150，n=4，则VSUS仅为28V。此时的M=1.007，很接近于1，而不是无穷大。基极一发射极间接以电阻RB和反偏电源VBB，经近似推导，有 （2-83）式中Vj是发射结的正向导通电压，对锗管约为0.2V，对硅管约为0.6V。基极一发射极之间串联电阻RB （2-84）基极一发射极短路（即RB=0，VBB=0） （2-85）3.穿通电压VPT随着集电结反向电压的增加，集电结势垒区向两边扩展，基区有效宽度WBeff减小。如果晶体管的基区掺杂浓度比集电压低，基区宽度WB又较小，则有可能在集电结发生雪崩击穿之前，WBeff减小到零，即发射区到集电区之间只有空间电荷区而无中性的基区，这种现象称为基区穿通。发生基区穿通时的集电极电压称穿通电压VPT，在VPT下，集电极电流将迅速上升。显然，基区较薄的合金结晶体管容易出现基区穿通效应，或者发生在集电区掺杂浓度高于基区的晶体管中。假设基区、集电区均匀掺杂，根据势垒宽度的公式，有，（NCNB） 式中NB为基区掺杂浓度, WB为基区宽度。对于给定的基区宽度WB，只有当NB较大时才能防止基区穿通，使器件的电压只受集电结耗尽区的雪崩倍增作用限制。（6）产生复合电流和大注入效应a产生复合效应实际晶体管在反向偏压下，集电区基区内耗尽层存在产生电流，而发射区基区正偏，耗尽层内有复合电流。如果产生电流在ICBO中起支配作用，对突变的集电结，ICBO随增加，对线性缓变的集电结，ICBO随增加，同时也增加。在小电流下，复合电流占支配作用，m2。IC是由注入基区的空穴扩散到集电区形成的空穴电流，不受发射区基区的复合电流影响。b晶体管的大注入效应类似于P-N结中对大注入的定义，在晶体管中，大注入是指从发射区注入到基区的少数载流子（如N-P