三极管简介教材

1、-BJT-什么是什么是BJTBJT？全称全称bipolar junction transistor（双极性结型晶体管）（双极性结型晶体管）一种具有三个终端的电子一种具有三个终端的电子器件器件发明于二十世纪中期发明于二十世纪中期对，没错，对，没错，它就是半导体三极管。它就是半导体三极管。在二十世纪中期前，因半导体尚未在二十世纪中期前，因半导体尚未普及，基本上当时所有的电子器材普及，基本上当时所有的电子器材均使用真空管。均使用真空管。真空管的最早发明，可以追溯到爱真空管的最早发明，可以追溯到爱迪生。迪生。在在BJTBJT之前之前- -真空管真空管2021-12-16 目前，在一些高保真的音响器材，

2、微波炉，人造 卫星的高频发射机，部分战斗机的防电磁脉冲干扰装置中仍然使用真空管。 对于大功率放大设备（如百万瓦级电台）和卫星而言，大功率的真空管是唯一的选择。 高频电焊机和X射线机中，真空管是主流器件。BJTBJT与与ICIC的历史与发展的历史与发展 真空管存在成本高、真空管存在成本高、不耐用、体积大、不耐用、体积大、效能低等问题。效能低等问题。 19471947年年1212月，贝尔月，贝尔实验室的约翰实验室的约翰巴巴丁、沃尔特丁、沃尔特布喇布喇顿在威廉顿在威廉肖克利肖克利的指导下共同发明的指导下共同发明了点接触形式的双了点接触形式的双极性晶体管。极性晶体管。19481948年，肖克利发明了采

3、用结型构造的双极性晶体管。年，肖克利发明了采用结型构造的双极性晶体管。贝尔实验室约翰约翰巴丁巴丁沃尔特沃尔特布喇顿布喇顿威廉威廉肖克利肖克利 肖克利发明二极管之后，离开了贝尔实验室，创办可自己的半导体实验室。第二年，八位年轻的科学家从美国东部陆续到达硅谷，加盟了肖克利实验室。肖克利是天才的科学家，但是缺乏经营能力，他雄心勃勃，但是对管理一窍不通。罗伯特诺伊斯，戈登摩尔等八人离开了肖克利，在仙童公司旗下创办了仙童半导体公司。仙童公司 仙童公司制造晶体管时首先把具有半导体性质的杂质扩散到高纯度硅上，然后在掩膜上绘制好晶体管结构，用照相制版的方法缩小，将结构显影在硅片表面氧化层，再用光刻法去掉不需要

4、的部分，整个过程叫做平面处理技术，它标志着硅晶体管批量生产的一次大飞越。 这项技术为仙童们打开了思想的大门，用这种方法既然能做一个晶体管，为什么不能做成百上千个呢？ 1959年1月23日，罗伯特诺伊斯在自己的日记中记下了这一闪光设想。 1959年2月，德州仪器公司工程师基尔比申请了第一个集成电路的发明专利。1959年2月，德克萨斯仪器公司工程师基尔比申请第一个集成电路发明专利，但是由于技术限制，基尔比不能很好的解决在硅片上进行两次扩散和导线互相连接等等问题，这些正是仙童半导体公司的拿手好戏。1959年7月，解决这些问题的仙童公司向美国专利局申请了发明专利。德州仪器公司 1969年，法院宣判，从

5、法律上承认集成电路是由德州仪器公司和仙童半导体公司同时发明。 基尔比和罗伯特诺伊斯对集成电路做出了突出贡献，基尔被誉为“第一块集成电路的发明家”，诺伊斯被誉为“提出了适合工业生产的集成电路理论”的人。罗伯特诺伊斯（19271990） 1960年，仙童半导体公司创始人之一的戈登摩尔，用三页纸的短小篇幅，发表了摩尔定律，这一定律后来因在集成电路的发展得以印证，成为新兴电子电脑产业的第一定律。戈登摩尔（1929） 仙童公司作为当时世界上最大，最富创新精神和最令人振奋的半导体生产企业，为硅谷培育了成千上万的技术人才和管理人才，一批又一批的仙童从这里夺路而出，半导体产业从此开枝散叶。 80年代初出版的著

6、名畅销书硅谷热中写到：”硅谷大约70家半导体公司的半数，是仙童公司的直接或者间接后裔，1969年的一次半导体工程师大会上，400名与会者，未曾在仙童公司工作的人不到24人。“摩尔和诺伊斯创办英特尔AMD销售部桑德斯创办AMD超微半导体公司早期的晶体管主要是由锗制成的。早期的晶体管主要是由锗制成的。锗晶体管的一个主要缺点是它容易产生锗晶体管的一个主要缺点是它容易产生热失控。（由于锗的禁带宽度较窄，它热失控。（由于锗的禁带宽度较窄，它对工作温度的要求更为严格）采用硅晶对工作温度的要求更为严格）采用硅晶体管可以弥补这一缺点。体管可以弥补这一缺点。硅在地球上的储量比锗丰富得多，这也硅在地球上的储量比锗

7、丰富得多，这也是硅被更多使用的原因之一。是硅被更多使用的原因之一。随着科技的发展，砷化镓也开始被用于晶体管的制随着科技的发展，砷化镓也开始被用于晶体管的制造。造。相比较硅和锗，化合物砷化镓制造的晶体管具有更相比较硅和锗，化合物砷化镓制造的晶体管具有更好的物理特性。好的物理特性。砷化镓的电子迁移率为硅的砷化镓的电子迁移率为硅的5 5倍，用它制造的晶体倍，用它制造的晶体管能够达到较高的工作频率。此外，砷化镓热导率管能够达到较高的工作频率。此外，砷化镓热导率较低，有利于高温下进行的加工。较低，有利于高温下进行的加工。在无线通信装置中，锗化硅正开始取代砷化镓。有在无线通信装置中，锗化硅正开始取代砷化镓

8、。有着高速特性的锗化硅芯片，可以用硅芯片工业传统着高速特性的锗化硅芯片，可以用硅芯片工业传统的生产技巧，并以低廉的成本生产。的生产技巧，并以低廉的成本生产。BJT与TTL TTL全称Transistor-Transistor Logic（逻辑门电路），它是由BJT和电阻构成。 20世纪60年代，集成电路的发明者之一，德州仪器开发出了74系列TTL芯片，使计算机逻辑方面的集成电路使用更加普及。TTL门电路构成的反相器典型电路 TTLTTL门电路构成的集成电路速度高，负载驱门电路构成的集成电路速度高，负载驱动能力强，但是功耗大，抗干扰能力弱。动能力强，但是功耗大，抗干扰能力弱。 随着人们对能源问题

9、的认识加深，晶体管随着人们对能源问题的认识加深，晶体管的另一成员场效应晶体管凭借着更低的功的另一成员场效应晶体管凭借着更低的功耗，成为了集成电路的主流。双极性晶体耗，成为了集成电路的主流。双极性晶体管在集成电路中的使用由此逐渐变少。管在集成电路中的使用由此逐渐变少。 然而，然而，BJTBJT由于能提供较高的跨导和输出电由于能提供较高的跨导和输出电阻，并具有高速、耐久的特性，在功率控阻，并具有高速、耐久的特性，在功率控制方面能力突出。所以依旧是组成模拟电制方面能力突出。所以依旧是组成模拟电路，尤其是甚高频应用电路的重要配件。路，尤其是甚高频应用电路的重要配件。 因此因此BJTBJT依然是一种重要

10、的器件，仍然在市依然是一种重要的器件，仍然在市场上流通。场上流通。2021-12-16BJT结构 BJT由三部分掺杂程度不同的半导体制成。以NPN型晶体管为例，其发射级为N+（极重）掺杂，基极为P型掺杂，集电极为N+掺杂。2021-12-16 高掺杂的发射极区域的电子，通过扩散作用运动到基极。在基极区域，空穴为多数载流子，而电子少数载流子。由于基极区域很薄，这些电子又通过漂移运动到达集电极，从而形成集电极电流。2021-12-16 当发射极正偏，集电极反偏时，BJT工作在正向放大状态。 如果基极存在一个小的电流Ib，通过BJT的放大，会在集电极产生大的电流Ic,集电极电流和基极电流存在固定的比

11、例关系，实现了对电流的放大。2021-12-16BJT工艺流程 以NPN型BJT为例 衬底制备 埋层制备 外延层生长 形成隔离区 掺杂 金属接触 金属互连 测试封装2021-12-16衬底制备 衬底采用轻掺杂的P型硅埋层制备埋层制备在集电区的外延层和衬底间通常要制作在集电区的外延层和衬底间通常要制作N+N+埋层。埋层可以减小集埋层。埋层可以减小集电区的串联电阻，并减小寄生电区的串联电阻，并减小寄生PNPPNP管的影响。管的影响。衬底上生长二氧化硅衬底上生长二氧化硅光刻光刻 刻蚀出埋层区域刻蚀出埋层区域离子注入离子注入NN型杂质（如磷、砷等）型杂质（如磷、砷等）退火（激活注入的杂质）退火（激活注

12、入的杂质）外延层生长外延层生长去除全部二氧化硅后，外延生长一层轻掺杂的硅。整个双去除全部二氧化硅后，外延生长一层轻掺杂的硅。整个双极型集成电路便制作在这一外延层上。外延层可以减少结极型集成电路便制作在这一外延层上。外延层可以减少结电容，提高击穿电压，降低后续工艺过程的扩散效应。电容，提高击穿电压，降低后续工艺过程的扩散效应。隔离层形成隔离层形成用于器件之间的电绝缘。用于器件之间的电绝缘。外延层上生长二氧化硅外延层上生长二氧化硅光刻（刻蚀出隔离区）光刻（刻蚀出隔离区）离子注入型离子注入型杂质（如硼）杂质（如硼）退火（激活杂质，使其均与掺杂）退火（激活杂质，使其均与掺杂）掺杂掺杂形成集电区形成集电

13、区外延层上生长二氧化硅外延层上生长二氧化硅光刻光刻离子注入离子注入NN型杂质型杂质退火退火形成基区形成基区外延层生长二氧化硅外延层生长二氧化硅光刻光刻离子注入离子注入P P型杂质型杂质退火退火形成发射区形成发射区基区生长二氧化硅基区生长二氧化硅光刻光刻离子注入离子注入P P型杂质型杂质退火退火金属接触金属接触si3n4si3n4上生长二氧化硅上生长二氧化硅光刻（刻蚀出接触光刻（刻蚀出接触窗口，用于引出电极线窗口，用于引出电极线)溅射金属溅射金属ALAL金属互连金属互连测试封装测试封装发展发展- -BiCMOS BiCMOS 技术技术近年来，随着混合微电子技术的快速发展及其应用近年来，随着混合微

14、电子技术的快速发展及其应用领域的不断扩大，电子和通讯业界对于现代电子元领域的不断扩大，电子和通讯业界对于现代电子元器件，电路的小型化，高速度，低功耗等方面的要器件，电路的小型化，高速度，低功耗等方面的要求越来越高。求越来越高。传统的传统的BJTBJT虽然有着高速，电流驱动能力强和模拟精虽然有着高速，电流驱动能力强和模拟精度高的优点，但是其功耗和集成度却不能适应大规度高的优点，但是其功耗和集成度却不能适应大规模集成电路的技术发展需要。模集成电路的技术发展需要。另一方面，另一方面，MOSFETMOSFET在高集成度，低功耗，在高集成度，低功耗，强抗干扰能力方面有优势，但在高速，大电强抗干扰能力方面有优势，但在高速，大电流驱动场合却无能为力。流驱动场合却无能为力。在在BICOMSBICOMS技术下，双极性晶体管可以和场效技术下，双极性晶体管可以和场效应晶体管被制作在一块集成电路上。应晶体管被制作在一块集成电路上。其基本思想是其基本思想是以以MOSMOS器件为器件为主要单元电路，主要单元电路，而在要求驱动而在要求驱动大电容负载之大电容负载之处加入处加入BJTBJT或或电路。电路。BICMOS技术制作的二输入与非门相对于单一由相对于单一由MOSMOS或或BJTBJT构成的电路，构成的电路，BICMOSBICMOS具有低功耗，高速