半导体器件物理与工艺-第5章

第5章双极型晶体管及相关器件5.1晶体管的工作原理5.2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5.4异质结双极型晶体管引言2.晶体管的发明理论推动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、整流效应量子力学和材料科学的发展。需求牵引：二战期间雷达等武器的需求。1.什么是晶体管？晶体管（Transistor）是转换电阻（Transferresistor）的缩写，是一个多重结的半导体器件。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。33.双极型晶体管(Bipolartransistor)也称双极型结晶体管（Bipolarjunctiontransistor,BJT）,是BellLab.于1947年发明的；是由靠的很近的两个PN结构成的半导体器件；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。在高速电路、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。1947年12月23日：第一只点接触晶体管诞生（BellLab.--Bardeen、Shockley、Brattain），意义重大。1949年：提出PN结和双极结型晶体管理论-BellLab.(Shockley)

1951年：制造出第一只锗结型晶体管-BellLab.(Shockley)；1956年：制造出第一只硅结型晶体管--美德州仪器公司（TI）；

Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖；1956年：中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学）；1970年：硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产；现代双极型晶体管，由Si取代Ge衬底，由耦合PN结代替点接触。4.发展历史晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿第一个点接触式的NPNGe晶体管(transistor)Bardeen,Brattain,andSchockley获1956年诺贝尔物理奖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(bipolarjunctiontransistor，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。

为了得到性能优良的晶体管，必须保证管内结构：

①.发射区相对基区要重掺杂；

②.基区要很窄（2微米以下）；

③.集电结面积要大于发射结面积。5.1晶体管的工作原理p-n-p双极型硅晶体管透视图1.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.CVD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.晶体管的类型p-n-p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5.1.1工作在放大模式热平衡状态下理想p-n-p双极型晶体管NE>NB>NC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)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: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wb<<Lnb。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W<<L时，IC→IEWp-n-p晶体管工作在放大模式的能带图“发射极”“集电极”14晶体管的放大作用：由邻近的射基结注射过来的载流子在反向偏压的集基结造成大电流→交互p-n结。5.1.2电流增益假设耗尽区中无产生-复合电流，则晶体管各端点的电流可表示为：IE=IEP+IEnIC=ICP+ICnIB=IE–IC15

所以，α0=γαT注：对设计良好的晶体管，IEp>>IEn，IEp与ICp非常接近，αT和γ接近于1，所以α0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=α0IE+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，试求出下列各值:(a)发射效率γ；(b)基区输运系数αT；(c)共基极电流增益α0；(d)ICB0

(c)共基极电流增益α0=γαT=0.9967×0.9967=0.9934(d)ICB0=IC–α0IE=(ICp+ICn)–α0(IEp+IEn)

=2.991–0.9934×3.01=0.87μA5.2双极型晶体管的静态特性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各区域中的载流子分布五点假设：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.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：一般解为：20用放大模式下晶体管的边界条件：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。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，当∆<<1时，sinh(∆)→∆.当W/Lp<<1时，上述方程式为：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.发射极和集电极区域类似地，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：假设发射区和集电区的宽度都远大于LE和LC，则245.2.2放大模式下理想晶体管的电流少数载流子分布→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，IEp∝dpn/dx25x=0x=W26当W/Lp<<1时：27同理，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，其中，其中，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工作模式视射基结与集基结上的偏压情况，双极性晶体管分为四种工作模式：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放大模式：射基结正，集基结反饱和模式：两结都正向偏压。极小的电压就产生极大的输出电流，晶体管处于导通状态(开关短路)。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)。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：32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5×1015cm-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=0.5μm.思路：α0=ICp/(IEp+IEn),ICp，IEp和IEn?当W/Lp<<1时所以，基区中空穴电流为：33解：要求参数Lp，LE,Pn0，nE0在基极区域中，由于W/Lp<<1，所以各电流成分为：34分析：当W/Lp<<1，发射效率由各电流成分表示为可以看出，欲改善γ，必须减少NB/NE，也就是发射区的掺杂浓度必须远大于基区，这也是发射区用P+重掺杂的原因。355.2.4共基与共射组态下的电流-电压特性在电路的应用中，共射组态晶体管是最常被用到的（发射极为输入和输出所共用）。一.共基组态输出电流-电压特性EBC共基极组态晶体管p-n-p晶体管基极中的少数载流子分布从VBC>0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.共射组态p-n-p晶体管的共射组态输出电流-电压特性由和可得共射组态下集电极电流：IC=α0IE+ICB0IE=IC+IB定义：β0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。β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的剧烈变化。39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VEC>0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会随集电极和基极的电压而改变，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↑->扩散电流↑这种IC随VEC的增加而增加的现象称为厄雷效应，或称为基区宽度调制效应。IC与VEC轴的交点称为厄雷电压，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VCEXmcWb

α0、β0

VCB

或VCEXmcWb

α0、β0

dnb(x)/dxJnEEarly(厄利)电压425.3双极型晶体管的频率响应与开关特性在交流工作状态下，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。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。因此，晶体管的使用频率受到一定的限制。5.3.1频率响应一、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+电阻和电导高频下基本等效电路+势垒和扩散电容gEB45基区宽度调制效应=>输出电导：46二、截止频率高频下基本等效电路+电阻和电导说明：gm和gEB与晶体管的电流增益有关。在低频是，共基电流为常数，当频率升高到一关键点后，共基电流增益下降了。47电流增益与频率的关系引入频率参量后：共基截止频率：fα当f=fα时，α=0.707α0，下降了3