双极型晶体管及相资料

1、2021/3/141 双极型晶体管及相关器件 2021/3/142 本章内容 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管的静态特性 双极型晶体管的频率响应与开关特性 异质结双极型晶体管 可控硅器件及相关功 2021/3/143 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管(bipolar transistor)的结构 双极型晶体管是最重要的半导体器件之一,在高速电路、模拟电路 、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆 参与导通过程的半导体器件,由两个相邻的耦合p-n结所组成,其结构可 为p-n-p或n-p-n的形式。 如图为一p-n-p双极型晶体管 的透视图,其制造过程是以p型半 导体为

2、衬底,利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域,再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p型区域,接着以金属覆 盖p、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。 2021/3/144 双极晶体管工作原理 图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管,具有三段不同掺杂浓度的 区域,形成两个p-n结。浓度最高的p区域称为发射区(emitter,以E表示); 中间较窄的n型区域,其杂质浓度中等,称为基区(base,用B表示),基区的 宽度需远小于少数载流子的扩散长度;浓度最小的p型区域称为集电区 (collector,用C表示)。 图(b)为p-n-p双极型晶体管的电 路符号,图中亦显示各电流成分

3、和电 压极性,箭头和“十”、“一”符号分别 表示晶体管在一般工作模式(即放大 模式)下各电流的方向和电压的极性 ,该模式下,射基结为正向偏压(VEB 0),而集基结为反向偏压(VCB0) 2021/3/145 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管工作在放大模式双极型晶体管工作在放大模式 图(a)是一热平衡状态热平衡状态下的理想pn- p双极型晶体管,即其三端点接在三端点接在 一起一起,或者三端点都接地或者三端点都接地,阴影区 域分别表示两个p-n结的耗尽区。图 (b)显示三段掺杂区域的杂质浓度, 发射区的掺杂浓度远比集电区大,基 区的浓度比发射区低,但高于集电区 浓度。图4.3(c)表示耗尽区

4、的电场强 度分布情况。图(d)是晶体管的能带 图,它只是将热平衡状态下的p-n结 能带直接延伸,应用到两个相邻的耦 合p-n结与n-p结。 2021/3/146 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管工作在放大模式双极型晶体管工作在放大模式 图(a)为工作在放大模式下的共 基组态p-n-p型晶体管,即基极被输 入与输出电路所共用,图(b)与图(c) 表示偏压状态下电荷密度与电场强度 分布的情形,与热平衡状态下比较, 射基结的耗尽区宽度变窄射基结的耗尽区宽度变窄,而集基而集基 结耗尽区变宽结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工作 在放大模式下的能带图,射基结为正 向偏压,因此空穴由空穴由p发射区注入发射

5、区注入 基区基区,而电子由基区注入发射区而电子由基区注入发射区。 2021/3/147 双极型晶体管的工作原理 在理想的二极管中理想的二极管中,耗尽区耗尽区 将不会有产生将不会有产生-复合电流复合电流,所以由所以由 发射区到基区的空穴与由基区到发射区到基区的空穴与由基区到 发射区的电子组成了发射极电流。发射区的电子组成了发射极电流。 而集基结是处在反向偏压的状态而集基结是处在反向偏压的状态, 因此将有一反向饱和电流流过此因此将有一反向饱和电流流过此 结结。当基区宽度足够小时,由发 射区注入基区的空穴便能够扩散 通过基区而到达集基结的耗尽区 边缘,并在集基偏压的作用下通 过集电区。此种输运机制便

6、是注 射载流子的“发射极“以及收集邻 近结注射过来的载流子的“集电极” 名称的由来。 2021/3/148 双极型晶体管的工作原理 如果大部分入射的空穴都没有与 基区中的电子复合而到达集电极,则 集电极的空穴电流将非常地接近发射 极空穴电流。 可见,由邻近的射基结注射过来 的空穴可在反向偏压的集基结造成大 电流,这就是晶体管的放大作用放大作用,而 且只有当此两结彼此足够接近时才会只有当此两结彼此足够接近时才会 发生发生,因此此两结被称为交互p-n结。 相反地,如果此两p-n结距离太远,所 有入射的空穴将在基区中与电子复合 而无法到达集基区,并不会产生晶体 管的放大作用,此时p-n-p的结构就只

7、的结构就只 是单纯两个背对背连接的是单纯两个背对背连接的p-n二极管二极管。 2021/3/149 2021/3/1410 2021/3/1411 2021/3/1412 2021/3/1413 2021/3/1414 双极型晶体管的静态特性 各区域中的载流子分布各区域中的载流子分布 为推导出理想晶体管的电流、电压表示式,需作下列五点 假设: （1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂均匀掺杂; （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略; （3）载流子注入属于小注入; （4）耗尽区中没有产生-复合电流; （5）晶体管中无串联电阻。 假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区,然后 这些

8、空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结,一旦确定了 少数载流子的分布(n区域中的空穴),就可以由少数载流子的 浓度梯度得出电流。 2021/3/1415 2021/3/1416 2021/3/1417 2021/3/1418 2021/3/1419 2021/3/1420 2021/3/1421 2021/3/1422 2021/3/1423 2021/3/1424 2021/3/1425 2021/3/1426 在饱和模式下,极小的电压就产生了极大的输出电流,晶体管处于导 通状态,类似于开关短路（亦即导通）的状态。 在截止模式下,晶体管的两个结皆为反向偏压,边界条件变为 pn(0)=pn(W)

9、=0,截止模式下的晶体管可视为开关断路(或是关闭)。电 流为零 在反转模式下,射基结是反向 偏压,集基结是正向偏压;在反转 模式下晶体管的集电极用作发射极, 而发射极用作集电极,相当于晶体 管被倒过来用,但是在反转模式下 的电流增益通常较放大模式小,这 是因为集电区掺杂浓度较基区浓度 小,造成低的“发射效率”所致。 2021/3/1427 2021/3/1428 2021/3/1429 即使VBC降到零伏,空穴依然被集电极所吸引,因此集电极电流仍维 持一固定值。图(a)中的空穴分布也显示出这种情形,x=W处的空穴梯 度在 从VBC0变为VBC=0后,只改变了少许,使得集电极电流在整个放大 模式

10、范围下几乎相同。 若要将集电极电流降为零, 必须加一电压在集基结上,使 其正向偏压(饱和模式),对硅 材料而言,约需加1V左右,如 图(b)所示,正向偏压造成x=W 处的空穴浓度大增,与x=0处 相等图(b)中的水平线,此时 在x=W处的空穴梯度也就是集 电极电流将会降为零。 2021/3/1430 2021/3/1431 因为0一般非常接近于1,使得0远大于1,所以基极电流的微小变 化将造成集电极电流的剧烈变化。下图是不同的基极电流下,输出电流 -电压特性的测量结果。可见当IB=0时,集电极和发射极间还存在一不 为零的ICEO。 在一共射组态的理想晶体管中, 当IB固定且VEC0时,集电极电

11、流与 VEC不相关。当假设中性的基极区域 (W)为定值时,上述特性始终成立。 然而延伸到基极中的空间电荷区域 会随着集电极和基极的电压改变, 使得基区的宽度是集基偏压的函数, 因此集电极电流将与VEC相关 2021/3/1432 当集电极和基极间的反向偏压增加时,基区的宽度将会减 少,导致基区中的少数载流子浓度梯度增加,亦即使得扩散 电流增加,因此IC也会增加。下图显示出IC随着VEC的增 加而增加,这种电流变化称为厄雷效应,或称为基区宽度调 制效应,将集电极电流往左方延伸,与VEC轴相交,可得到交 点,称为厄雷电压。 2021/3/1433 2021/3/1434 双极型晶体管的频率响应与开

12、关特性 频率响应频率响应 前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性), 没有涉及其交流特性,也就是当一小信号 重叠在直流值上的情况。小信号意指交流 电压和电流的峰值小于直流的电压、电流 值。 高频等效电路:图(a)是以共射组态晶体管 所构成的放大器电路,在固定的直流输入 电压VEB下,将会有直流基极电流IB和直流 集电极电流IC流过晶体管,这些电流代表图 (b)中的工作点,由供应电压VCC以及负载电 阻RL所决定出的负载线,将以一1/RL的斜 率与VCE轴相交于VCC。 2021/3/1435 双极型晶体管的频率响应与开关特性 当一小信号附加在输入电压上时,基极电流iB将会随时间变动,而成一 时

13、间函数,如右图所示。基极电流的变动使得输出电流iC跟着变动, 而iC 的变动是iB变动的0倍,因此晶体管放大器将输入信号放大了。 下图(a)是此放大器的低频等效电路,在更高 频率的状况下,必须在等效电路中加上适当 的电容。与正向偏压的p-n结类似,在正向偏 压的射基结中,会有一势垒电容CEB和一扩 散电容Cd,而在反向偏压的集基结中只存在 势垒电容CCB,如图(b)所示。 2021/3/1436 2021/3/1437 2021/3/1438 2021/3/1439 2021/3/1440 要改善频率响应,必须缩短少数载流子穿越基区所需的时间,所以高频 晶体管都设计成短基区宽度。由于在硅材料中

14、电子的扩散系数是空穴 的三倍,所有的高频硅晶体管都是n-p-n的形式(基区中的少数载流子是 电子)另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺 杂基区, 掺杂浓度变化(基区靠近发射极端掺杂浓度高,靠近集电极端掺杂浓度 低)产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动,因而缩短基区渡越 时间。 2021/3/1441 双极型晶体管的频率响应与开关特性 在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关。可以利用小的基极电流 在极短时间内改变集电极电流由关(off)的状态成为开(on)的状态(反之 亦然)。关是高电压低电流的状态,开是低电压高电流的状态。 图(a)是一个基本的开关电路,其中射基电压瞬间由 负值变为正值。图(b)是晶体管的输出电流,起初因 为射基结与集基结都是反向偏压,集电极电流非常 低,但射基电压由负变正后,集电极电流沿着负载 线,经过放大区最后到达高电流状态的饱和区,此 时射基结与集基结都变为正向偏压。因此晶体管在 关的状态下,亦即工作于截止模式时,发射极与集 电极间不导通;而在开的状态下,亦即工作在饱和 模式时,发射极与集电极间导通因此晶体管可近 似于一理想的开关。 202