吉林大学半导体器件物理第三章-第一部分

1、第三章第三章双极结型晶体管双极结型晶体管第三章第三章双极结型晶体管双极结型晶体管 发展历史发展历史 1947.12.231947.12.23日第一只点接触晶体管诞生日第一只点接触晶体管诞生- -Bell Lab.(BardeenBell Lab.(Bardeen、ShockleyShockley、 Brattain) Brattain)19491949年提出年提出PNPN结和双极结型晶体管理论结和双极结型晶体管理论- -Bell Lab.(Shockley)Bell Lab.(Shockley)19511951年制造出第一只锗结型晶体管年制造出第一只锗结型晶体管- -Bell Lab.(Sho

2、ckley) Bell Lab.(Shockley) 1951956 6年制造出第一只硅结型晶体管年制造出第一只硅结型晶体管- -美得洲仪器公司（美得洲仪器公司（TITI） 19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain获诺贝尔奖获诺贝尔奖19561956年中国制造出第一只锗结型晶体管年中国制造出第一只锗结型晶体管- -（吉林大学（吉林大学 高鼎三）高鼎三）19701970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构3.13.1双极结

3、型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 E E C C 发射区 集电区 基区 N N p （a） C B 发射区 集电区 基区 p p N （c） B C （b） B E （d） B E 图 3-2 （a）理想的一维NPN双极结晶体管， （b）图（a）的电路符号 （c）理想的一维PNP双极结晶体管， （d）图（c）的电路符号 3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步骤制造出来的芯片是通过以下步骤制造出来的衬底制备衬底制备 衬底为低阻衬底为低阻N型硅，电阻率在型硅，电阻率在 左右，沿（左右，沿（111）面切成厚约）面切

4、成厚约 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。外延外延 外延层为外延层为N N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。 一次氧化一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。面钝化作用。光刻硼扩散窗口光刻硼扩散窗口 cm001. 0m4003.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步骤制造出来的芯片是通过以下步骤制造出来的硼扩散和二次氧化硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用

5、来阻挡磷向硅中型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。扩散，并起钝化作用。光刻磷扩散窗口光刻磷扩散窗口 磷扩散和三次氧化磷扩散和三次氧化 磷扩散后在磷扩散后在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。 光刻发射极和基极接触孔光刻发射极和基极接触孔蒸发铝蒸发铝 在铝上光刻出电极图形在铝上光刻出电极图形 3.3.2 2基本工作原理基本工作原理3.3.2 2基本工作原理基本工作原理 双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，

6、 ， 分别为基极分别为基极对发射极和基对发射极和基 极对集电极的电压。则四种工作模式是：极对集电极的电压。则四种工作模式是： EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1 1） 正向有源模式：正向有源模式： 0 0， 0 0；（2 2） 反向有源模式：反向有源模式： 0 0， 0 0；（3 3） 饱和模式：饱和模式： 0 0， 0 0；（4 4） 截止模式：截止模式： 0 0， 0 0。EVCVEVEVEVCVCVCV3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 晶体管共基极放大电路图3 - 6 （ a）NPN 3.23.2基本工作原理基本工作原理 共

7、基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 BEqV BCqV E B C （b） 图图3-6 3-6 （b b）NPNNPN晶体管共基极能带图晶体管共基极能带图 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量 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

8、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空间电荷区是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流产生电流。 nEInCInCnEIIpEIrgI0CI3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量 rgpEnEEIIII0CnCnErgpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIII（3-1） （3-2） （3-3） （3-4） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流增益 为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率 （3-5） （3-7） 基区输运因子 共基极直流电流增益 nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccII

9、I0（3-6） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流增益 显然 （3-8） （3-10） 利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成 考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为 TrgpEnEnCIIII0CECIII（3-9） CI01CTVVCECIIIe 3.23.2基本工作原理基本工作原理 VCB （V） 0 2 4 6 8 10 IC （mA） 2 4 6 8 10 mAIE0 10 6 8 4 2 有源区 饱和区 截止区 IC （mA） 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 VCE （V） AIB0 125 75 100 50 25 （a） （b） 图图3-8

10、3-8 集电结电流集电结电流电压特性：（电压特性：（a a）共基极情形，（共基极情形，（b b）共发射极情形共发射极情形 3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定义式中定义 共发射极接法共发射极接法 0CBCCIIII（3-11） 0011CEBFECBCIIhIII（3-12） 1FEh100CCEII（3-13） （3-14） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 小结概念：发射极注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益概念：发射极注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益介绍了典型介绍了典型BJTBJT的基本结构和工艺过程。的基本结构和工艺过程。介绍了介

11、绍了BJTBJT的四种工作模式。的四种工作模式。画出了画出了BJTBJT电流分量示意图，给出了各极电流及其相互关系公式公式（电流分量示意图，给出了各极电流及其相互关系公式公式（3-13-1）（）（3 3-4-4）分别用能带图和载流子输运的观点解释了分别用能带图和载流子输运的观点解释了BJTBJT的放大作用。的放大作用。BJTBJT具有放大作用的关键在于两个具有放大作用的关键在于两个PNPN结靠得足够近即基区宽度远远小于少子的扩散长结靠得足够近即基区宽度远远小于少子的扩散长度。度。给出了理想给出了理想BJTBJT共基极连接集电极电流与集电压关系曲线和共发射极连接集电极电流共基极连接集电极电流与集

12、电压关系曲线和共发射极连接集电极电流与集电极发射极间的电压关系曲线。与集电极发射极间的电压关系曲线。 3.23.2基本工作原理基本工作原理 教学要求教学要求掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益增益了解典型了解典型BJTBJT的基本结构和工艺过程。的基本结构和工艺过程。掌握掌握BJTBJT的四种工作模式。的四种工作模式。画出画出BJTBJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观点解释分别用能带图和载流子输运的观点解释

13、BJTBJT的放大作用。的放大作用。为什么公式（为什么公式（3-93-9）可以写成公式（）可以写成公式（3-103-10）。）。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。解释理想解释理想BJTBJT共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间的电压无关的现象。的电压无关的现象。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。v作业：作业：3.13.1 3.33.3理想双极结型晶体管中

14、的电理想双极结型晶体管中的电流传输流传输3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义：理想晶体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）结是理想的平面结，载流子作一维运动；）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的；子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；）基区宽度远小于少子

15、扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）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；（7）小注入，等等）小注入，等等 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 adNN x EW 0 Bx Cx 图 3-10 各区均匀掺杂NPN晶体管的杂质分布 Ex 图图3-103-10是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。3.33.3理

16、想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输一、电流传输一、电流传输 中性基区（中性基区（0 0 ）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： xBx0022npppnnndxndD TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0 nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-16） （3-17） （3-18） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输电子电流电子电流 （3-16） （3-19） （3-20） 0 xpnnEdxxdnqADI1si

17、nh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（ BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnD nxqAecthexLLL 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输二、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： 边边界条条件： （3-21） （3-23a） TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh1003.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输 若若 ，（，（3-233-23a a

18、）式可以写作：式可以写作： （3-23b） （3-24） ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100空穴电流为：空穴电流为：12TEVVEdEipEexNnqAD 0011ETEVVEEEEEWxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输三、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 边边界条条件： （3-23） （3-26） TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCT

19、x xLVVipCdCpCnqADeeNL（3-25） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式一、少数载流子分布一、少数载流子分布 在在 的情的情况况下，（下，（3-273-27a a）式式简简化化 nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh1000（3-27a） nBLx BVVppxxenxnTE10（3-27b） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式图图3-11 3-11 正向有源模

20、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 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输二、电流分量二、电流分量 基区电子电流基区电子电流： （3-28） 10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI（3-29） nBTLxhsec若若 BxnL12TEVVBainnEexNnqADI22211nBTLx（3-30） （3-31） （3-32） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输空穴电流空穴电流 （3-24） （3-33） 正偏压发射结空间电荷区复

21、合电流：正偏压发射结空间电荷区复合电流： （3-34） 12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViErgqAnWIe 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输（3-35） （3-36） rgnCnEpEBIIIIITEVVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 图图3-12 3-12 NPN NPN 晶体管的静态电流

22、晶体管的静态电流电压特性电压特性 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输三、共发发射极电极电流增益 CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh1（3-37） TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh20221223.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输四、共发发射极电极电流增益与与工作电电流的关关系 图3-13 电流增益对集电结电流的依赖关系 10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hFE AIC 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传

23、输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布 基区少子电子分布基区少子电子分布 发射区少子空穴分布发射区少子空穴分布 nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-18） pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh100（3-23a） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 若若 ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100（3-23b

24、） 集电区少子空穴分布集电区少子空穴分布 TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100（3-22） （3-25） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 导出了少子电流公式导出了少子电流公式 (1)(1)基区电子电流基区电子电流 （3-19） （3-20） 1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（0111sinh()CTETnpVVVVBnCBnnnD nxIqAecthexLLL 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 (2)(

25、2)发发射射区区空穴空穴电电流流 （3-24） （3-26） 12TEVVEdEipEexNnqAD(3)(3)集集电区电区空穴空穴电电流：流： 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNL1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 导出了正向有源模式下少子分布导出了正向有源模式下少子分布 （3-27a） （3-27b） (1)(1)基区电子分布基区电子分布 ： nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinh

26、sinhsinh1000在在 的情况下的情况下 nBLx BVVppxxenxnTE103.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 （3-23a） （3-23b） (2)(2)发射区少子空穴分布发射区少子空穴分布 ： 若若 pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh100ExpEL EVVEEExxeppxpTE11003.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 （3-28） （3-29） 导出了正向有源模式下少子电流：导出了正向有源模式下少子电流： (1)(1)基区电子电流基区电子电流10TEVVnBnp