传感器第三章双极性晶体管

1、 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院第三第三章章 双双极结型晶体管极结型晶体管1 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院双极结型晶体管（双极结型晶体管（bipolar junction transistor）是由靠的很近的两）是由靠的很近的两个个PN结构成的半导体器件。结构成的半导体器件。一般包括一般包括NPN或或PNP三个区域，前者称为三个区域，前者称为NPN晶体管，后者称为晶体管，后者称为PNP晶体管。晶体管。2 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院发射极、基极和集电极分别用发射极、基极和集电极分别用E、B、C表示。表示。发射结偏

2、压：发射结偏压：集电结偏压：集电结偏压：3EBEBEVVVVCBCBCVVVV3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院4结构特点：结构特点： 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院5 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院1)衬底衬底制备制备 衬底衬底为低阻为低阻N型硅，电阻率型硅，电阻率在在0.001cm左右左右，沿沿111面面切成切成厚厚约约400m的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2)外延外延 外延外延层为层为N N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。型

3、，按电参数要求确定其电阻率及厚度。 3)一次氧化一次氧化 高温高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。表面钝化作用。4)光刻硼扩散窗口光刻硼扩散窗口 6芯片是通过以下步骤制造出来芯片是通过以下步骤制造出来的的: : 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院5)硼硼扩散和二次氧化扩散和二次氧化 硼硼扩散后在外延层上形成扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。中扩散，并起钝化作用。6)光刻磷扩散窗口光刻磷扩散窗口 7)磷扩散和三次

4、氧化磷扩散和三次氧化 磷磷扩散后在扩散后在P P型区磷杂质补偿硼而形成型区磷杂质补偿硼而形成N N+ +区，热氧化层用作金属与硅区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。片间电绝缘介质。 8)光刻发射极和基极接触孔光刻发射极和基极接触孔9)蒸发铝蒸发铝 10) 在铝上光刻出电极图形在铝上光刻出电极图形 7 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院3.3.2 2 双极结型晶体管的基本双极结型晶体管的基本工作原理工作原理 双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。（1）正向有源模式：）正向有源模式：VE 0，VC 0；（2）反向有源

5、模式：）反向有源模式：VE 0， VC 0；（3）饱和模式：）饱和模式：VE 0， VC 0；（4）截止模式：）截止模式：VE 0， VC 0。8 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院9(a) NPN 型晶体管；型晶体管； (b) PNP 型晶体管型晶体管电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。反向偏置。 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院3.2.1 3.2.1 放大作用放大作用共基极连接晶体管的放大共基极连接晶体管的放

6、大作用：作用：基极既处于输入电路中又处于输出电路中，晶体管的这种接法称为共基极既处于输入电路中又处于输出电路中，晶体管的这种接法称为共基极接法。基极接法。 10 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院11电流电流传输机构传输机构BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院12是从发射区注入到基区中的电子流。是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是到达集电结的电子流。 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是从基区注入到发射区的空穴电流是从基区注入到发

7、射区的空穴电流是发射结空间电荷区内的复合电流。是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生空间电荷区产生电流电流。 nEInCInCnEIIpEIREI0CIEnEpEREIIIIBpEREnEnCCIIIIII0CnCCIII0ECBIII3.2.2 电流分量电流分量 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院为为描述晶体管的增益特性引进以下物理量描述晶体管的增益特性引进以下物理量 1.1.发射极发射极注射注射效率效率：从发射极注入基极的电子电流在总的发射极电：从发射极注入基极

8、的电子电流在总的发射极电流中所占的比例。流中所占的比例。 2.2.基区基区输运输运因子因子T T ：发射极注入基极的电子电流中能够到达集电极：发射极注入基极的电子电流中能够到达集电极的那部分所占的比例。的那部分所占的比例。3.3.共基极共基极直流电流直流电流增益增益：能够到达集电极的电子电流在总的发射极：能够到达集电极的电子电流在总的发射极电流中所占的比例。电流中所占的比例。 nEnEEnEpErgIIIIII nCTnEII 0 0ccnCTEnEpEREIIIIIII 133.2.3 直流电流增益直流电流增益 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院 考虑考虑到集电结正反两

9、种偏压到集电结正反两种偏压条件条件 的的完全表达式为完全表达式为 TrgpEnEnCIIII 0 0CECIII CI CTVVCEC 0IIIe1 14 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院 0 0CBCCIIII 0 00 01 11 1CEBFECBCIIhIII 1 1FEh 1 10 00 0CCEII4.4.共发射极电流增益共发射极电流增益h hFEFE 其中：其中：hFE称为共发射极直流电流增益；称为共发射极直流电流增益；ICEO是基极开路时，集电极是基极开路时，集电极-发射极之间的电流，称为漏电流，也称为穿透电流。发射极之间的电流，称为漏电流，也称为穿透电流

10、。当作为放大器使用时，晶体管工作在正向有源区；当晶体管工作处于当作为放大器使用时，晶体管工作在正向有源区；当晶体管工作处于开关状态时，经常往返于饱和区（开）和截止区（关）之间。开关状态时，经常往返于饱和区（开）和截止区（关）之间。15 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院3.3.3 3 理想理想双极结型晶体管中的电流双极结型晶体管中的电流传输传输理想晶体理想晶体管的主要假设及其意义：管的主要假设及其意义： （1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）PN结结是理想的平面是理想的平面结；结；（3）横向尺寸远

11、大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流子载流子运动是一维运动是一维的；的；（4）集电区集电区宽度远大于宽度远大于少子扩散长度；少子扩散长度；（5）发射结为短）发射结为短PN结；结；（6）中性区中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区空间电荷区上；上；（7）发射结面积和集电结面积相等；发射结面积和集电结面积相等；（8）小注入，等等小注入，等等 16 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院一一、中性基区少子电子的分布及其电流、中性基区少子电子的分布及其电流传输传输

12、 中性基区中性基区（ ）少子电子分布及其电流少子电子分布及其电流： 边界条件为：边界条件为： 0 00 02 22 2 npppnnndxndD TEVVppenn0 00 0 TCVVpBpenxn0 0 nBnBVVpppLxsinhLxxsinhennxnTE1 10 00 0 nBnVVpLxsinhLxsinhenTC1 10 03.3.1 载流子分布与电流分量载流子分布与电流分量Bxx0 17 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院x=0 x=0处的电子电流：处的电子电流： 0 0 xpnnEdxxdnqADI 1 11 11 10 0TCTEVVnBVVnBnp

13、nnEeLxsinheLxcthLnDqAI）（ BxxpnnCdxxdnqADI CTETnp0VVVVBBnnnD nx1qAe1cthe1xLLsinh()L 18 nBnBVVpppLxsinhLxxsinhennxnTE1 10 00 0 nBnVVpLxsinhLxsinhenTC1 10 0 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院二、发射区少子空穴分布及其电流：二、发射区少子空穴分布及其电流： 边界条件边界条件： ETVVEEE0pWp e EEE0pxp pEEEpEEVVEEELWxsinhLxxsinheppxpTE1 10 00 0190 00 02 2

14、2 2 pEEEpppdxpdD 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院 若若 , ,即发射结为短即发射结为短PNPN结：结： ExpEL EVVEEExxeppxpTE1 11 10 00 0空穴电流为：空穴电流为： 1 12 2 TEVVEdEipEexNnqAD ETEVVEE0E0EEWxpxppe11xW ETVVE0pEEpEEPIWqADe1x pEEEpEEVVEEELWxsinhLxxsinheppxpTE1 10 00 020 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院三三、集电区少子空穴分布及其电流、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件边界

15、条件： TCVVCCCepxp0 0 0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp 1 10 00 0 CpCCTx xLVVC0pCpCpCpIxqADe1 eL CpcCT2(x x )/LVVipCdCpCnqADe1 eNL 0 00 02 22 2 pCCCpppdxpdD21 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院3.3.23.3.2正向有源正向有源模式（放大区）模式（放大区）一一、少数载流子分布、少数载流子分布 在在 的情况下的情况下，简化，简化 nBnpnBnBVVpppLxsinhLxsinhnLxsinhLxxsinhennxnTE0 00 00

16、 01 1 nBLx 22 nBnBVVpppLxsinhLxxsinhennxnTE1 10 00 0 nBnVVpLxsinhLxsinhenTC1 10 0 )xx(enxxn)xx(n)xx(ennxxn)xx(ennxxnxxxennxnBVVpBpBpBVVppBpBVVppBpBBVVpppTETETETE 1 11 11 1 1 11 11 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 23 )xx(enxnBVVppT

17、E 1 10 0 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院二、电流分量二、电流分量 正向有源区的正向有源区的基区基区电子电流电子电流： 1 10 0 TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI 1 10 0 TEVVnBnpnnCeLxhcscLnqADInBnEnCTLxhsecII 若若 BxnL 1 12 2 TEVVBainnEexNnqADI2 22 22 21 11 1nBTLx 24 1 11 11 10 0TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxsinheLxcthLnDqAI）（ CTETnp0VVVVBnCBnnnD nx1IqAe1cthe1xLLsi

18、nh()L 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院空穴电流空穴电流 正正偏压发射结空间电荷区复合电流：偏压发射结空间电荷区复合电流： 1 12 2 TEVVEdEipEpEexNnqADI2C0ipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL ETV /2ViErg0qAn WIe2 25rgnCnEpEBIIIII TEVVBeI ETETVVV2V2PEnBEi2dEEan0iDD xWqAn(e1)eN x2N L2n 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院三、共发射极电流增益三、共发射极电流增益 CBFEIIh 1 1CrgCnCnECpEFEII

19、IIIIIh 1 1TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh2 20 02 22 21 12 22 2 26 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院3.6 3.6 基区基区扩展电阻和电流集聚扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻和电流集聚 有源有源电阻和无源电阻和无源电阻电阻非均匀载流子的注入使得沿发射结出现非均匀的电流分布，造非均匀载流子的注入使得沿发射结出现非均匀的电流分布，造成在靠近边缘处有更高的电流密度，这种现象称为电流集聚效成在靠近边缘处有更高的电流密度，这种现象称为电流集聚效应。应。 27 半导体器件物理半导体

20、器件物理 安徽大学物理与材料科学学院二、中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图二、中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图 图图3-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图28 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应在在共发射极电路正向有源模式下，对于给定的基极电流，集电极电流应当与集共发射极电路正向有源模式下，对于给定的基极电流，集电极电流应当与集电极电压无关。电极电压无关。图中图中的曲线斜率应为零。但的曲线斜率应为零。但图中图中的电流却随集电极电压的增加的电流却随集电极电压的增加而增加。这

21、种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为EarlyEarly效应效应 290 00 01 11 1CEBFECBCIIhIII 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院基区宽度减小使少子浓度梯度增加：基区宽度减小使少子浓度梯度增加： 图图3-21 3-21 晶体管中的少数载流子分布晶体管中的少数载流子分布(a)(a)有源区工作，有源区工作， = =常数，常数， 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化(b) (b) 和和 对应的基区少数载流子分布对应的基区少数载流子分布EBVCBV

22、0CBICEOI30 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院31器件之间必须相互电绝缘而成为各自相互独立的器件。器件之间必须相互电绝缘而成为各自相互独立的器件。横向氧化层隔离；纵向反向横向氧化层隔离；纵向反向pnpn结隔离。结隔离。n-n-外延层的目的：外延层的目的：为了提高集电结的反向击穿电压，获得易于控为了提高集电结的反向击穿电压，获得易于控制的高性能集电区；制的高性能集电区；n+n+埋层的作用：埋层的作用：降低集降低集 电极串联电阻；同时防止电极串联电阻；同时防止 寄生效应。寄生效应。p+p+沟道阻挡：沟道阻挡：防止场寄生防止场寄生 晶体管开启。晶体管开启。3.8 3.

23、8 集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院323.8.1 3.8.1 集成集成NPNNPN管与分立管与分立NPNNPN管有什么不同？管有什么不同？ 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院333.8.2 3.8.2 集成集成NPNNPN晶体管的晶体管的有源有源寄生效应寄生效应（1 1）NPN晶体管正向有源时：晶体管正向有源时：放大区：发射结正偏，集电结反偏放大区：发射结正偏，集电结反偏VBC0 VSC0 VSC0 寄生寄生PNP晶体管正向有源导通晶体管正向有源导通饱和区：发射结正偏，集电结正偏饱和区：发射结正偏，集

24、电结正偏放大区：发射结正偏，集电结反偏放大区：发射结正偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏反向有源区：发射结反偏，集电结正偏反向有源区：发射结反偏，集电结正偏击穿区击穿区（2 2）NPN晶体管饱和或反向有源时：晶体管饱和或反向有源时： 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院35（3 3）减小有源寄生效应的措施）减小有源寄生效应的措施A.在结构上，可以增加在结构上，可以增加n n+ +埋层埋层 加大了寄生加大了寄生PNP晶体管的基区宽度晶体管的基区宽度形成了寄生形成了寄生PNP晶体管基区减速场晶体管基区减速场 半导体器件物理半导体器件物理 安徽大学物理与材料科学学院36（3 3）减小有源寄生效应的措施）减小有源寄生效应的措施B.在工艺加工中，在工艺加工中，可以采用掺金的办法，通