第5章 双极型晶体管及相关器件01

1、半导体器件物理半导体器件物理 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1 本章内容本章内容 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2 双极型器件：双极型器件：电子与空穴皆参与导通电子与空穴皆参与导通，由，由两个相邻的互作用的两个相邻的互作用的 p-n结结组成，其结构可为组成，其结构可为p-n-p或或n-p-n。 右图为右图为p-n-p双极型晶体管双极型晶体管 透视图，制造过程：利用掺透视图，制造过程：利用掺 杂工艺在杂工艺在p型衬底上形成一型衬底上形成一 n型区域，再在此型区域，再在此n型

2、区域型区域 上掺杂形成一高浓度上掺杂形成一高浓度p 型 型 区域，接着以金属覆盖区域，接着以金属覆盖p 、n以及下方的以及下方的p型区域形型区域形 成欧姆接触。成欧姆接触。 5.1 晶体管的工作原理晶体管的工作原理 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3 图（图（a）理想一维结构）理想一维结构p-n-p双极双极 型晶体管，具有三段不同掺杂浓型晶体管，具有三段不同掺杂浓 度的区域，形成两个度的区域，形成两个p-n结：结： 浓度最高浓度最高p 区为 区为发射区发射区（E）；）； 中间较窄中间较窄n型区，杂质浓度中等型区，杂质浓度中等 ，为，为

3、基区基区（B），基区宽度需远小），基区宽度需远小 于少子扩散长度；于少子扩散长度； 浓度最小浓度最小p区为区为集电区集电区（C）。）。 图（图（b）为）为p-n-p双极型晶体双极型晶体 管的电路符号：管的电路符号： 晶体管一般工作模式（晶体管一般工作模式（放放 大模式大模式）下各电流方向和电）下各电流方向和电 压极性；压极性； 该模式下，射基结正偏（该模式下，射基结正偏（ VEB0），而集基结反偏（），而集基结反偏（ VCB0）。）。 （a）理想一维）理想一维p-n-p双极型晶体管双极型晶体管 发发射射区区 P E E 集集电电区区 P 基基区区 n B C C + + + + + + - -

4、 - - - EC V EB V CB V ( (a a) )理理想想一一维维p p- -n n- -p p双双级级型型集集体体管管 发发射射区区 P E E 集集电电区区 P 基基区区 n B B C C + + + + + + - -CE V BE V BC V ( (c c) )理理想想一一维维n n- -p p- -n n双双级级型型集集体体管管 EC V+ +- - B - -+ + E + + - - C EB VBC V E I C I B I ( (b b) )p p- -n n- -p p双双级级型型集集体体管管的的电电路路符符号号 CE V+ + - - B - -+ +

5、E E + +- - C C BE VCB V E I C I B I ( (d d) )n n- -p p- -n n双双级级型型集集体体管管的的电电路路符符号号 图图 4 4. .2 2 （b）p-n-p双极型晶体管的电路符号双极型晶体管的电路符号 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4 n-p-n双极型晶体管的结构与双极型晶体管的结构与p-n-p双极型晶体管是互补的。双极型晶体管是互补的。 图（图（c）、图（）、图（d）分别是理想）分别是理想n-p-n晶体管的结构与电路符晶体管的结构与电路符 号。将号。将p-n-p双极型晶体管结构中

6、的双极型晶体管结构中的p换成换成n、n换成换成p，即为，即为 n-p-n双极型晶体管的结构，因此电流方向与电压极性也都双极型晶体管的结构，因此电流方向与电压极性也都 相反。相反。 （c）理想一维）理想一维n-p-n双极型晶体管双极型晶体管 （d）n-p-n双极型晶体管的电路符号双极型晶体管的电路符号 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5 图（图（a）热平衡下理想）热平衡下理想p-n-p双极双极 型晶体管，三端点等电位，阴影区型晶体管，三端点等电位，阴影区 域分别表示两个域分别表示两个p-n结的耗尽区。结的耗尽区。 图（图（b）三段区域的

7、空间电荷分）三段区域的空间电荷分 布。布。发射区的掺杂浓度远比集电区发射区的掺杂浓度远比集电区 大大；基区的浓度比发射区低，但高基区的浓度比发射区低，但高 于集电区浓度于集电区浓度。 图（图（c）为耗尽区电场强度分布。）为耗尽区电场强度分布。 图（图（d）是晶体管能带图，）是晶体管能带图，将热将热 平衡状态下的平衡状态下的p-n结能带直接延伸结能带直接延伸 ，应用到两个相邻的互作用，应用到两个相邻的互作用p+-n结结 与与n-p结。结。 5.1.1 工作在放大模式工作在放大模式 发发 射射 区区基基 区区集集 电电 区区 PPn E W B W C W AD NN x x E C E F E

8、V E C E F E V E 图图 4 4. .3 3（ a a） 所所 有有 端端 点点 接接 地地 的的 p p- -n n- -p p晶晶 体体 管管 （ 热热 平平 衡衡 状状 态态 ） （ b b） 突突 变变 掺掺 杂杂 晶晶 体体 管管 的的 掺掺 杂杂 浓浓 度度 分分 布 布 （ （ c c） 电电 场场 分分 布布 （ d d） 热热 平平 衡衡 状状 态态 下下 的的 能能 带带 图图 （a） （b） （c） （d） 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 6 图（图（a）为工作在）为工作在放大模式放大模式下的下的共共

9、 基组态基组态p-n-p型晶体管（输入与输型晶体管（输入与输 出电路共用基极）。出电路共用基极）。 图（图（b）与图（）与图（c）为放大模式下电）为放大模式下电 荷密度与电场强度分布；与热平衡荷密度与电场强度分布；与热平衡 状态下比较，射基结的耗尽区宽度状态下比较，射基结的耗尽区宽度 变窄，而集基结耗尽区变宽。变窄，而集基结耗尽区变宽。 图（图（d）是晶体管工作在放大模式）是晶体管工作在放大模式 下的能带图，下的能带图，射基结为正偏射基结为正偏，因此，因此 空穴由空穴由p+发射区注入基区发射区注入基区，而，而电子电子 由基区注入发射区由基区注入发射区。 发发射射区区基基区区 集集电电区区 PP

10、n E W B W C W AD NN x x E 输输出出 B I E I C I EB V BC V ( (a a) ) 0 W ( (b b) ) ( (c c) ) C E V E C E V E F E EB V BC V B N E x C x ( (d d) ) 图图4 4. .4 4 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 7 理想二极管中耗尽区不会有产生理想二极管中耗尽区不会有产生-复复 合电流，所以由合电流，所以由发射区到基区的空发射区到基区的空 穴穴与由与由基区到发射区的电子基区到发射区的电子组成了组成了 发射极电流发射

11、极电流。而。而集基结反偏集基结反偏，因此，因此 有有一反向饱和电流一反向饱和电流流过此结。流过此结。 当当基区宽度足够小基区宽度足够小，由，由发射区注入发射区注入 基区的空穴基区的空穴便能够便能够扩散通过基区扩散通过基区而而 到达集基结的耗尽区边缘到达集基结的耗尽区边缘，并在，并在集集 基偏压的作用基偏压的作用下到达集电区。下到达集电区。 此种输运机制是注射载流子的此种输运机制是注射载流子的“发发 射极射极”以及收集邻近结注射过来的以及收集邻近结注射过来的 载流子的载流子的“集电极集电极”名称的由来。名称的由来。 发发射射区区基基区区 集集电电区区 PPn E W B W C W AD NN

12、x x E 输输出出 B I E I C I EB V BC V ( (a a) ) 0 W ( (b b) ) ( (c c) ) C E V E C E V E F E EB V BC V B N E x C x ( (d d) ) 图图4 4. .4 4 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 8 如大部分入射空穴都没与基区电子如大部分入射空穴都没与基区电子 复合而到达集电极，则集电极空穴复合而到达集电极，则集电极空穴 电流将非常接近发射极空穴电流。电流将非常接近发射极空穴电流。 由邻近的射基结注射过来的空穴可由邻近的射基结注射过来的空

13、穴可 在反偏集基结造成大电流，此为晶在反偏集基结造成大电流，此为晶 体管体管放大作用放大作用，且只有当此两，且只有当此两p-n结结 足够接近时才会发生，因此此两结足够接近时才会发生，因此此两结 被称为被称为交互交互p-n结结。 相反，如两相反，如两p-n结距离太远，所有入结距离太远，所有入 射空穴将与基区电子复合而无法到射空穴将与基区电子复合而无法到 达集基区，并不会产生晶体管的放达集基区，并不会产生晶体管的放 大作用，此时大作用，此时p-n-p的结构就只是单的结构就只是单 纯两个背对背连接的纯两个背对背连接的p-n结二极管。结二极管。 发发射射区区基基区区 集集电电区区 PPn E W B

14、W C W AD NN x x E 输输出出 B I E I C I EB V BC V ( (a a) ) 0 W ( (b b) ) ( (c c) ) C E V E C E V E F E EB V BC V B N E x C x ( (d d) ) 图图4 4. .4 4 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 9 右图为一理想右图为一理想p-n-p晶体管晶体管 在放大模式下的各电流成在放大模式下的各电流成 分。分。设耗尽区中无产生设耗尽区中无产生-复复 合电流合电流，则由发射区注入，则由发射区注入 的空穴将构成最大的电流的空穴将

15、构成最大的电流 成分。成分。 5.1.2 电流增益电流增益 发发射射区区)( P基基区区 )(n 集集电电区区)(P E I C I BB I En I Cn I CP I EP I B I 空空穴穴电电流流 和和空空穴穴流流 电电子子电电流流 电电子子流流 图图4 4. .5 5 基极电流有三个：基极电流有三个：IBB、IEn及及ICn。其中，。其中，IBB代表由基极所供应、代表由基极所供应、 与入射空穴复合的电子电流（与入射空穴复合的电子电流（IBB=IEp-ICp）；）；IEn代表由基区注入代表由基区注入 发射区的电子电流，是不希望有的电流成分；发射区的电子电流，是不希望有的电流成分；I

16、Cn代表集电结附代表集电结附 近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流，发射极断路近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流，发射极断路 （IE=0）时集基极间的漏电流。）时集基极间的漏电流。 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 10 晶体管各端点的电流可由上晶体管各端点的电流可由上 述各个电流成分来表示述各个电流成分来表示 发发射射区区)( P基基区区 )(n 集集电电区区)(P E I C I BB I En I Cn I CP I EP I B I 空空穴穴电电流流 和和空空穴穴流流 电电子子电电流流 电电子子流流 图图4 4. .5

17、 5 晶体管中有一项重要参数，晶体管中有一项重要参数， 称为称为共基电流增益共基电流增益，定义为，定义为 EnEpE III CnCpC III CnCpEpEnCEB IIIIIII E Cp I I 0 因此，得到因此，得到 Ep Cp EnEp Ep EnEp Cp I I II I II I 0 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 11 发发射射区区)( P基基区区 )(n 集集电电区区)(P E I C I BB I En I Cn I CP I EP I B I 空空穴穴电电流流 和和空空穴穴流流 电电子子电电流流 电电子子流

18、流 图图4 4. .5 5 第二项称为第二项称为基区输运系数基区输运系数，是到达集电极的空穴电流量与由发射极入，是到达集电极的空穴电流量与由发射极入 射的空穴电流量的比，即射的空穴电流量的比，即 所以所以 上式等号右边第一项称为上式等号右边第一项称为发射发射 效率效率，是入射空穴电流与总发，是入射空穴电流与总发 射极电流的比，即：射极电流的比，即： EnEp Ep E Ep II I I I Ep Cp T I I T 0 Ep Cp EnEp Ep I I II I 0 设计良好的晶体管，设计良好的晶体管，IEnIEp，且，且ICp与与IEp非常接近，非常接近， T与与 都趋近于都趋近于1，因此，因此 0也接近于也接近于1。 半导体器件物理半导体器件物理 第第5 5章章 双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 12 发发射射区区)( P基基区区 )(n 集集电电区区)(P E I C I BB I En I Cn I CP I EP I B I 空空穴穴电电流流 和和空空穴穴流流 电电子子电电流流 电电子子流流 图图4 4. .5 5 其中，其中，ICn是发