现代半导体器件第十五讲

现代半导体器件刘飞：84110916：liufei

中山大学理工学院交流小信号电流增益双极晶体管频率特性参数双极晶体管的开关原理双极晶体管的开关时间4.5

双极晶体管大电流特性4.6

晶体管耗散功率及区第四章双极晶体管(2)4.5

双极晶体管的大电流特性一、双极晶体管大电流特性的研究意义工作电流IC增大到一定数值，α0

,β0将明显下降。晶体管工作需保证一定大小电流增益,提高使用电流。大电流下电流增益下降的原因：大注入效应：有效基区扩展效应；发射极电流集边效应。IC~VCE曲线上大电流下增益变化的表现：特性曲线的疏密程度不同；IC很大时，曲线较为密集，即β0

下降。4.5

双极晶体管的大电流特性β0随IC变化曲线4.5

双极晶体管的大电流特性(1)

大注入定义：

。二、大注入效应(NPN管为例)1.大注入(2)大电流下晶体管变化:IC大,注入基区电子浓度高。(1)定义：基区电导随非平衡少子的变化而变化的效应。(2)基区电导调制效应的

：nb

Pb0

NBnb

NB

；nb

NB

；

NB

。(3)大注入的分类：a.临界大注入：b.一般大注入：c.极大注入：nb2.基区电导调制效应4.5

双极晶体管的大电流特性大注入时的基区电子和空穴分布图CE0

xPNbN＋p

(0)nb(0)EbnΔpbpb0Δnbnb0BWb4.5

双极晶体管的大电流特性a.基区中电子的大注入：b.基区的电中性要求：；；c.基区中的空穴浓度增大导致基区电阻率显著下降。(3)大注入下的基区电阻率的计算：a.小注入和大注入下的基区电阻率表达式：小注入：大注入：nb

Pb0

NBnb

pbbbBpbbn1

bNBq

(N

n

)

1pb

Bq

N1b

14.5

双极晶体管的大电流特性b.注入比对基区电阻率的影响：NB注入比增大，使得基区电阻率下降；发射结电压增大会提高nb(0),进而产生大注入。c.大注入和小注入对基区电阻率的影响：(a)大注入：注入非平衡少子浓度很大，不可忽略。(b)小注入：注入非平衡少子与多子浓度相比很小,可忽略对基区电导率影响。3.大注入的自建电场Ebn自建电场Ebn:基区中形成由集电结指向发射结电场。大注入自建电场形成的物理过程：nb4.5

双极晶体管的大电流特性基区中空穴分布梯度与电子相同；势垒区反向电场造成空穴在集电结基区边界积累；空穴在基区中积累就形成大注入自建电场。(3)大注入下的自建电场的计算：a.计算前物理分析：非平衡少子的连续性方程；基区中非平衡多子的净运动为零；(c)

由多子和少子连续性方

Ebn及彼此关系。b.具体的计算过程：dpb

(x)

kT

1Ebq

p

(x)

dxbn4.5

双极晶体管的大电流特性大注入时的基区电子和空穴分布图CE0

xPNbN＋p

(0)nb(0)EbnΔpbpb0Δnbnb0BWb4.5

双极晶体管的大电流特性大注入下自建电场的作用：对电子：加速电子在基区中扩散，提高IC和β0；对空穴：与空穴扩散方向相反，降低Ipe。4.大注入的电流增益和特征频率(1)大注入下的电流增益的变化：1大注入下电流增益计算：(输运系数项和发射效率项)a.发射效率项的变化：nbW

2小注入下的电流增益：

e

b

b

W

0

bWe

2L2eWbbWebWe

NB

eWb

(1

nb

)4.5

双极晶体管的大电流特性b.输运系数项的变化：(a)均匀基区晶体管:(b)缓变基区晶体管：小注入下：

bnbrb

b

B

NBI

Nn

(0)

1

2

b

n

(0)1

I

ne2L2W

2bnbrb

b

B

NBneII

Nn

(0)

1

2

b

n

(0)1

2W

2L2nbneW

2(c)输运系数项的取值：I

I

Lrb

b

4.5

双极晶体管的大电流特性临界大注入下：极大注入下：

rb2nbne2W

2IIrb3Lb2W

2ne

nbI

2LI

b

大注入对电流增益的影响：

a.发射效率项的变化：大注入使得发射效率下降；b.输运系数项的变化：大注入使得输运系数上升；c.电流增益：大注入下，电流增益随电流增大而下降。(发射效率对β0的影响更大)大注入下的临界电流密度JEM：4.5

双极晶体管的大电流特性a.均匀基区晶体管：；b.缓变基区晶体管：。bEMnb

WNBJ

1.5qDbEMnb

WNBJ

1.5qD(a)小注入下：(5)大注入对特征频率fT的影响：a.均匀基区晶体管：fT增大。(fT的表达式？)W

2(b)极大注入下：bb

b

2DnbWb4Dnb24.5

双极晶体管的大电流特性bbWD

2a.缓变基区晶体管：fT减小(

4

)。(a)小注入下：(b)极大注入下：nbb4DWnb2

b

(大注入自建电场破坏了原有杂质自建电场，而与均匀基区情况趋于一致)三、有效基区扩展效应(NPN管为例)1.定义:大电流下有效基区宽度随电流增大而增大效应。(又称为Kirk效应)4.5

双极晶体管的大电流特性2.有效基区扩展效应的产生原因：大电流下集电结势垒区的电荷分布出现变化：小电流密度下：势垒区为空间电荷区；大电流密度下：势垒区中

间电荷会逐渐减少。(与注入势垒区的载流子密度直接相关)当载流子密度超过临界大注入密度，势垒区净电荷会减小为0，甚至改变极性；集电结势垒区将扩展到N＋衬底，并向衬底收缩，进而增大有效基区宽度。3.有效基区扩展效应的理论计算：4.5

双极晶体管的大电流特性(1)强场下基区扩展效应的计算：a.强场下的集电结势垒区分析：(a)晶体管为均匀掺杂，且两结均为突变结；

(b)分别研究不

子注入浓度下势垒区的变化；(c)由势垒区两侧电荷总量相等列出泊松方程,解Eb(x);(d)最后由集电区边界位置的变化求出基区宽度变化。

b.基区扩展效应中的强场：强场的定义：势垒区电场强度

E

EC

10

4V

/

cm

;速度饱和临界电场EC；载流子以饱和漂移速度通过

势垒区的最小势垒区电场。强场

流子将以Vs1通过集电结势垒区。4.5

双极晶体管的大电流特性NPN＋Wb0WcibN＋强场下的基区纵向扩展模型x4.5

双极晶体管的大电流特性c.强场下基区扩展效应的具体计算：(a)势垒区中E(x)的计算：(nc为通过势垒区电子密度)集电结的漂移电流密度：

J

c

nc

qVs1再由集电结两侧电荷总量相等，可求出：(E(0)为集电结结面处的电场强度，E(x)呈线性分布)(b)不同nc下的基区有效宽度的变化I.nc<NC时：qs1JcCE(x)

(N

)x

E(0)

BmcbC

mccqVJcqVqV0

s0

s

s1

0

s

s1其中

E(0)

(N

)x

PN结的空间电荷区电力线分布图PNx<0x>0-xmcbxmcc0x4.5

双极晶体管的大电流特性4.5

双极晶体管的大电流特性－xmcbxmccx0E(x)E(0)PN结的空间电荷区电场分布图上一节回忆(1)大电流下引起晶体管电流增益下降的因素有哪些？

(2)什么叫做晶体管的基区电导调制效应？基区电导调制效应的产生原因是什么？(3)大注入会对晶体管的电流增益和特征频率产生怎样的影响？4.5

双极晶体管的大电流特性集电结VCB不变时，Jc增大使得xmcc增大，xmcb减小；大电流注入下，集电结的势垒区宽度xmc变大；大电流注入下，势垒区最大电场强度E(0)下降;大电流注入下的集电结势垒区中电荷总量下降。II.nc=NC时：(Jc进一步增大时)集电区中电荷净密度为0，无法为集电结提供正的空间电荷区；；WcCBC

0C

s1负电荷的势垒区宽度变得更窄，仍在xmcb

之内；正电荷的势垒区已移至N＋衬底;

V集电区中为均匀电场，E

VD集电极电流密度：J

N

qV4.5

双极晶体管的大电流特性N＋Nxmcxmcbx0Wb0E(x)强场下的集电结势垒区中nc<NC时的电场分布图4.5

双极晶体管的大电流特性III.nc>NC时：(Jc进一步增大，但小于Jcr时)此时集电区中电荷极性变为负的净电荷，即成为类似于基区集电结势垒区的性质；负电荷空间电荷区将转移至集电区中；正电荷的势垒区仍在N＋衬底，且继续增大;集电结的结面已收缩到集电区与衬底交界的NN＋结。有效基区扩展效应的临界电流密度JcrJcr的定义：E(0)=0时的电流密度。表达式：C

0DCB

s1

Cccr

s1

CqW

2

V

)

qV

N

J0

s

(VJ

qV

N2

4.5

双极晶体管的大电流特性IV.nc进一步增大时：(Jc>Jcr时)集电区中负空间电荷区将向N＋衬底收缩；正电荷空间电荷区仍在N＋衬底，且宽度继续增大；集电结的结面还处于集电区与衬底交接的高低结;集电区中出现感应基区Wcib，即出现新的准中性区；有效基区宽度Wb则明显增大。(d)基区宽度Wb的变化：(I)Wcib定义：集电区中负空间电荷区以外的准中性区。cib(II)W的表达式：Wcib

1

s1

c

c

qV

N

qVs1

NC

2

J

cr

Wc

1

J4.5

双极晶体管的大电流特性E(x)WcibJcrE(x)强场下的集电结势垒区中nc＝NC和nc>NC时的电场分布图4.5

双极晶体管的大电流特性(III)有效基区宽度：Wb

Wcib

Wb0d.强场大电流注入下的电流增益变化：大电流下，随着IC的增大，Wb增大，则β0下降；高频下，Wb增大使得τb增大，则fT下降；为保证工作性能，晶体管的最大电流密度J<Jcr

。弱场下基区扩展效应的计算：a.基区扩展效应中的弱场：定义：E<EC的集电结势垒区电场；弱场下基区扩展效应的条件：(nc>NC)cVDnc

CcrW

VCBJ

q

N4.5

双极晶体管的大电流特性b.弱场下基区扩展效应的物理过程分析：(a)大电流下，集电区杂质浓度较低，随电流IC的增大，考虑rcs上的压降，可使VBC>0；(b)集电区中出现电导调制效应，使得集电区下c降；忽略正偏下势垒区在集电区的扩展宽度，集电区中一定范围内由于大量空穴存在而出现感应基区;集电区中剩余部分为欧姆导电区,同原集电区性能相同;c基.区弱宽场度下明的显有增效大基，区晶宽体度管的处计于算饱：和工作状态。)cVD

Wc

CWcibJ

VCB(c

crJ

J4.5

双极晶体管的大电流特性Wcib

Wcx0PNnp弱场下的有效基区纵向扩展图4.5

双极晶体管的大电流特性4.基区的横向扩展效应：(载流子的二维运动)大电流下，集电结的有效面积大于发射结；(Ac增大，则发射效率下降)内基区外侧电子渡越距离Wb增大，τb增大；

(τb增大，使得输运系数下降)基区横向扩展降低了电流增益β0，fT下降。三、发射极电流集边效应(NPN管为例)定义:发射极电流主要集中在发射结边缘流过的现象。发射结电流集边效应产生的物理过程：

(1)发射结中基极电阻的存在：(基极电流平行于结面，电流流过路程越短，基极电阻越小。)4.5

双极晶体管的大电流特性基区横向扩展图NN＋PN＋B

EIEB4.5

双极晶体管的大电流特性b.表达式：Seff其中JE(0)为发射结中心的电流,JEP为发射极边缘的电流发射结电流方向垂直于发射结结面，结边缘流过的电流要大于结中心的电流；(发射结边缘的电压降小于结中心的电压降)发射极电流集边效应又称为基极电阻自偏压效应。3.发射极电流集边效应中发射极结构参数的计算(1)发射极有效半条宽Seffa.定义：发射极边缘到中心的横向压降1为kT/q的S。

2(0)

0

E

b

1.32

(1

)

J

kT q

Wb4.5

双极晶体管的大电流特性发射极电流集边效应4.5

双极晶体管的大电流特性(假设基极电流为线性分布，利用平均电压法计算，还要考虑基极电流和发射极电流的方向和面积差别)发射结有效面积Aeff：发射极电流实际流过的发射结面积。(Aeff常比Ae小很多)发射极有效条长leff：定义：发射极电

部到根部的电压差为kT/q时对应的发射极条长。大电流对leff影响:实际输出电压减小,电流增益下降。(大电流下，发射极电极发生压降)12b

EP

b

0eff或

S

2.716

J(kT q)

(W

)

4.5

双极晶体管的大电流特性发射极的电流由若干小发射条并联构成；(IE=nIe)发射极电流IE沿条长线性分布。leff的具体计算过程；(计算过程类似于求解基极电阻)I

R

q

3nSm

kTleffE

m四、集电极最大电流ICM

(NPN管为例)ICM定义:β0下降为最大值β0M的一半时的集电极I