半导体器件物理与工艺_第5章

1、5.1 晶体管的工作原理晶体管的工作原理5.2 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性5.4 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管引引 言言2.晶体管的发明晶体管的发明l理论推动理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应：光电导效应、光生伏特效应、整流效应光电导效应、光生伏特效应、整流效应量子力学和材料科学的发展。l需求牵引：需求牵引：二战期间雷达等武器的需求。1.1.什么是晶体管？什么是晶体管？ 晶体管（Transistor）是转换电阻（Transfer resistor）的缩写，是一个多重结的半导体

2、器件。通常与其他电路整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益电压、电流或是信号功率增益。33. 双极型晶体管双极型晶体管 (Bipolar transistor)v 也称双极型结晶体管（Bipolar junction transistor, BJT）,是Bell Lab.于1947年发明的；v 是由靠的很近的靠的很近的两个PN结构成的半导体器件；v 电子和空穴二种极性载流子同时参与输运的具有电流和功率放大能力的三端半导体器件，也称双极性载流子晶体管双极性载流子晶体管。v 在高速电路、模拟电路、功率放大高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的

3、器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。v 1947年12月23日：第一只点接触晶体管点接触晶体管诞生（Bell Lab. - Bardeen、Shockley、Brattain），意义重大意义重大。v 1949年：提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley)1951年：制造出第一只锗结型晶体管锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) ；v 1956年：制造出第一只硅结型晶体管硅结型晶体管-美德州仪器公司（TI）； Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖；v 1956年：中国制造出第一只锗结型晶

4、体管 -（吉林大学）；v 1970年：硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产；v 现代双极型晶体管，由Si取代Ge衬底，由耦合耦合PN结结代替点接触点接触。4. 发展历史发展历史第一个点接触式的第一个点接触式的NPN Ge晶体管晶体管 (transistor)Bardeen, Brattain, and Schockley获获1956年诺贝年诺贝尔物理奖尔物理奖6按功能- 高频晶体管、低频晶体管、大功率晶体管、小功率晶体管、开关晶体管、低噪声晶体管，等。5. 分分 类类按材料 Ge晶体管、 Si晶体管、GaAs、SiGe晶体管等。按能带结构 同质结晶体管(bipolar junction t

5、ransistor ，BJT)，一般称其为晶体管。异质pn结晶体管(HBT)，简称异质结晶体管。异质结晶体管具有更优良的电学特性。l 为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构：为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构： . .发射区相对基区要重掺杂；发射区相对基区要重掺杂； . .基区要很窄（基区要很窄（2 2微米以下）；微米以下）； . .集电结面积要大于发射结面积。集电结面积要大于发射结面积。p-n-p双极型硅晶体管透视图1.1.晶体管的基本结构晶体管的基本结构P型半导体衬底热扩散工艺8A.热扩散工艺技术缓变基区晶体管(漂移(型)晶体管 )均匀基区晶体管(扩散(型)晶体管) B. CV

6、D技术N+N-p(a) 理想一维p-n-p双极型晶体管(b) p-n-p双极型晶体管的电路符号2.2.晶体管的类型晶体管的类型p-n-p晶体管晶体管10(c) 理想一维n-p-n双极型晶体管(d) n-p-n双极型晶体管的电路符号n-p-n晶体管晶体管5.1.1 5.1.1 工作在放大模式工作在放大模式热平衡状态下理想p-n-p双极型晶体管NENBNC所有端点接地的p-n-p晶体管、杂质浓度分布、电场分布和能带图工作在放大模式下p-n-p双极型晶体管(共基极组态放大器共基极组态放大器)p-n-p晶体管工作在放大模式的杂质浓度分布、电场分布和能带图共基极组态共基极组态: 基极被输入和输出电路所共

7、用。基极被输入和输出电路所共用。 设：发射结正偏，集电结反偏，基区宽度wbLnb。E13在理想的二极管中，忽略耗尽区中的产生-复合电流:IE：发射区到基区的空穴+基区到发射区的电子IC: 反向饱和电流当当WIEn，IEp与ICp非常接近，T和接近于1，所以0也接近于1.16 其中，ICn是当发射极断路时(IE=0)集电极间的电流，记ICB0，所以ICB0代表当发射极断路时，集电极之间的漏电流。所以，共基组态下，集电极电流也表示为：IC=0IE + ICB017例：已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA、IEn =0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA，试求出下列

8、各值: (a) 发射效率；(b) 基区输运系数T；(c) 共基极电流增益0；(d) ICB0 (c) 共基极电流增益0=T=0.99670.9967=0.9934(d) ICB0=IC 0IE = (ICp + ICn) 0(IEp+IEn) =2.991 0.99343.01=0.87A 主要讨论理想晶体管的静态电流、电压特性，推导各端点电流方程式。5.2.1 5.2.1 各区域中的载流子分布各区域中的载流子分布五点假设：五点假设：晶体管各区域浓度为均匀掺杂；基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；载流子注入属于小注入；耗尽区无产生-复合电流； 晶体管中无串联电阻。19一一. .基

9、极区域基极区域p-n-p晶体管工作在放大模式的载流子和电场分布 在中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续性方程式表示：202nnnnnnppppppEpppppEDGtxxx 2020nnnpppppDx一般解为：012( )exp()exp()nnnnxxpxpCCLL20用放大模式下晶体管的边界条件：0(0)exp()(W)=0EBnnnqVpppkT和 第一个边界条件表示在正向偏压的状态下，射基结的耗尽区边缘（x=0）的少数载流子浓度是热平衡状态下的值与 的乘积。exp()EBqVkT 第二个边界条件表示在反向偏压状态下，集基结耗尽区边缘（x=W）的少数载流子浓度为零。21因此，

10、00-sinh()sinh( )exp()-11-sinhsinhppEBnnnppW xxLLqVpxppWWkTLL当1时，sinh(). 当W/Lp1时，上述方程式为：nexp()(1)= (0)(1-)EBnnoqVxxp xppkTWW（）可以看出，中性n区中少数载流子分布趋近于一直线。放大模式下p-n-p晶体管中各区域的少数载流子分布 由线性少数载流子分布的合理假设，可简化电流-电压特性的推导过程。23二二. .发射极和集电极区域发射极和集电极区域00exp1exp,-EBEEEEEEqVxxnxnnxxkTL（ ）（） 00exp()CCCCCCxxnxnnxxL（ ）=，类似地

11、，也可求出发射区和集电区少数载流子分布。发射区与集电区中性区域的边界条件为：0( =-)exp()EBEEEqVnxxnkT0( =)exp()=0BCCCCqVnx xnkT假设发射区和集电区的宽度都远大于LE和LC，则245.2.2 5.2.2 放大模式下理想晶体管的电流放大模式下理想晶体管的电流少数载流子分布少数载流子分布电流密度电流密度p-n-p晶体管工作在放大模式的载流子在x=0处，IEpdpn/dx00-sinh()sinh( )exp()-11-sinhsinhppEBnnnppW xxLLqVpxppWWkTLL250()nE ppxdpIAqDdx()nC ppxWdpIAq

12、Ddxx=0 x=W26exp()(1)EBnnoqVxp xpkTW（）00()exp()pnnE BE ppxqA DpdpqVIAqDdxWkT0()exp()pnnE BC ppxWqA DpdpqVIAqDdxWkT当当W/Lp1时：时：27同理，同理，0()ex p ()1EEEEE BE nExxEd nq A Dnq VIAq Dd xLkT 0()CCCCC nCxxCdnqA DnIAqDdxL其中，DE和DC分别是电子在发射区和集电区中的扩散系数。因此，因此，1112exp()1E BEE pE nqVIIIaakT001112PnEE OPnEDpDnqA DpaqAa

13、WLW（） ,其中，2122exp1EBCCpCnqVIIIaakT002122,PnPnCCOCqAD pD pD naaqAWWL其中，11211222()exp() 1 ()EBBECqVIIIaaaakT 结论：结论：晶体管三端点的电流主要是由基极中的少数载流子分布来决定的。295.2.3 5.2.3 工作模式工作模式 视射基结射基结与集基结集基结上的偏压情况，双极性晶体管分为四四种工作模式种工作模式：四种晶体管工作模式下的结极性与少数载流子分布工作模式工作模式l放大模式：放大模式：射基结正，集基结反l饱和模式：饱和模式：两结都正向偏压。极小的电压就产生极大的输出电流，晶体管处于导通状

14、态(开关短路)。l截止模式：截止模式：两结都反向偏压。pn(0)=pn(W)=0，晶体管处于开路状态(关闭)。l反转模式：反转模式：射基结反，集基结正。也称反放大模式，晶体管的集电极用作发射极，发射极用作集电极。 用类似放大模式下求解电流、电压的步骤，可得各模式下的一般表示式为：11122122exp1exp1exp1exp1CBEBECBEBCqVqVIaakTkTqVqVIaakTkT32例：一理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为1019、1017和51015cm-3，而寿命分别为10-8、10-7和10-6s，假设有效横截面积A为0.05mm2，且射基结正向偏

15、压在0.6V，请求出晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为DE=1、Dp=10、Dc=2cm2/s，W=0.5m.思路：0=ICp/(IEp+IEn), ICp，IEp和IEn?当W/Lp1时n= (0)(1-)nxp x pW（）所以，基区中空穴电流为：00()exp()pnnE BE pC PpxqA DpdpqVIIAqDdxWkT0exp()1EEE BE nEqA DnqVILkT33解：要求参数Lp，LE, Pn0，nE0在基极区域中，73101010pppLDcmcm410EEELDcm22309.1310inBnPcmN2309.31iEEnncmN由于W/Lp1，所以各电流

16、成分为：41.713710E pC PIIA88.568710E nC PIIA3400.995C pE PC pIII分析： 当W/Lp0变为VBC=0后，x=W处的空穴浓度梯度改变量很少，使得集电极电流集电极电流在整个放大模式范围内几乎相同。 当在集基结上加一正向偏压，集电极电流才降为零。正向偏压造成x=W处的空穴浓度大增，与x=0处相等，因此集电极电流降为零。37二二. .共射组态共射组态p-n-p晶体管的共射组态输出电流-电压特性0001CBII00,1CBOCEOCBCEOIIIII所以：由 和 可得共射组态下集电极电流：IC=0IE + ICB0IE = IC+ IB 00011C

17、BOCBIII定义：0为共射电流增益为共射电流增益 其中，ICE0是当IB=0时，集电极与发射极间的漏电流。一般远大于1，所以基极电流的微小变化将造成集电极电流基极电流的微小变化将造成集电极电流的剧烈变化的剧烈变化。39现象：现象：在一共射组态的理想晶体管中，假设(理想情形)中性的基极区域(W)为定值时，当IB固定且VEC0时，集电极电流与VEC不相关。 然而，实际情况下基极中的空间电荷区域空间电荷区域会随集电极集电极和基极的电压基极的电压而改变，使得基区的宽度是集基偏压的函数，从而集电极电流IC与VEC有关。VEC-W-载流子浓度梯度载流子浓度梯度 -扩散电流扩散电流 这种IC随VEC的增加

18、而增加的现象称为厄雷效应厄雷效应，或称为基区宽度调制效应。基区宽度调制效应。IC与VEC轴的交点称为厄雷电压厄雷电压，用VA表示。VEC41定义：晶体管有效基区宽度随集电结偏置电压变化而变化的现象，称为晶体管基区宽度效应，又称Early(厄利)效应。IERwb1wb2VCB 或 VCE Xmc Wb 0 、0 VCB 或VCE Xmc Wb 0 、0 dnb(x)/dx JnEEarly(厄利)电压42l 在交流工作状态下，pn结的电容效应将对晶体管的工作特性发生影响。频率越高，pn结交流阻抗下降，对结电容的充放电电流增加，使晶体管的放电能力下降。l 频率愈高，单位时间用于充放电的电子愈多，到达集电极的载流子愈少，结电容的分流作用愈大，基极电流愈大。因此，交流放大系数是频率的函数，并随频率的升高而下降。同时，对结电容的充放电需要一定的时间产生信号延迟，使输出和输入信号存在相位差。l 因此，晶体管的使用频率受到一定的限制。5.3.1 5.3.1 频率响应频率响应一、高频等效电路一、高频等效电路43共射组态双极性晶体管晶体管电路的小信号工作状态负载线：由供应电压Vcc以及负载电阻RL所决定（以斜率-1/RL与VEC轴相交于Vcc）。iC和iB随时间变化44低频下基本等效电路高频下基本等效电路+电阻和电