半导体器件物理精品课件

双极型晶体管及相关器件现代半导体器件物理PhysicsofModernSemiconductorDevices2004,7,30本章内容双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的频率响应与开关特性异质结双极型晶体管可控硅器件及相关功率器件双极型晶体管(bipolartransistor)的结构双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为p-n-p或n-p-n的形式。如图为一p-n-p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区域，再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p＋型区域，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区域形成欧姆接触。双极型晶体管的工作原理图(a)是一热平衡状态下的理想p-n-p双极型晶体管，即其三端点接在一起，或者三端点都接地，阴影区域分别表示两个p-n结的耗尽区。图(b)显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射区的掺杂浓度远比集电区大，基区的浓度比发射区低，但高于集电区浓度。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分布情况。图(d)是晶体管的能带图，它只是将热平衡状态下的p-n结能带直接延伸，应用到两个相邻的耦合p＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平。双极型晶体管(pnp型)工作在放大模式双极型晶体管的工作原理图(a)为工作在放大模式下的共基组态p-n-p型晶体管，即基极被输入与输出电路所共用，图(b)与图(c)表示偏压状态下空间电荷密度与电场强度分布的情形，与热平衡状态下比较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工作在放大模式下的能带图，射基结为正向偏压，因此空穴由p＋发射区注入基区，而电子由基区注入发射区。双极型晶体管工作在放大模式双极型晶体管的工作原理在理想的二极管中，耗尽区将不会有产生-复合电流，所以由发射区到基区的空穴与由基区到发射区的电子组成了发射极电流。而集基结是处在反向偏压的状态，因此将有一反向饱和电流流过此结。当基区宽度足够小时，由发射区注入基区的空穴便能够扩散通过基区而到达集基结的耗尽区边缘，并在集基偏压的作用下通过集电区。此种输运机制便是注射载流子的“发射极“以及收集邻近结注射过来的载流子的“集电极”名称的由来。双极型晶体管的工作原理下图中显示出一理想的p-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分。设耗尽区中无产生-复合电流，则由发射区注入的空穴将构成最大的电流成分IEp。电流增益大部分的入射空穴将会到达集电极而形成ICp。基极的电流有三个，即IBB、IEn、ICn。其中IBB代表由基极所供应、与入射空穴复合的电子电流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基区注入发射区的电子电流，是不希望有的电流成分；ICn代表集电结附近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流。双极型晶体管的工作原理晶体管各端点的电流可由上述各个电流成分来表示晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益，定义为因此，得到双极型晶体管的工作原理第二项称为基区输运系数，是到达集电极的空穴电流量与由发射极入射的空穴电流量的比，即所以上式等号右边第一项称为发射效率，是入射空穴电流与总发射极电流的比，即：双极型晶体管的工作原理例1：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；(b)基区输运系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。解（a）发射效率为（b）基区输运系数为（c）共基电流增益为（d）共基电流增益为所以双极型晶体管的工作原理为推导出理想晶体管的电流、电压表示式，需作下列五点假设：（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂；（2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；（3）载流子注入属于小注入；（4）耗尽区中没有产生-复合电流；（5）晶体管中无串联电阻。假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。各区域中的载流子分布

双极型晶体管的静态特性图(c)显示结上的电场强度分布，在基区中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方程式表示：其中Dp和τp分别表示少数载流子的扩散系数和寿命。上式的一般解为一、基区区域：其中为空穴的扩散长度，常数C1和C2可由放大模式下的边界条件和决定。双极型晶体管的静态特性当x<<1时，sinh(x)将会近似于x。所以当W/Lp<<1时，可简化为即：少数载流子分布趋近于一直线。此近似是合理的，因为在晶体管的设计中，基极区域的宽度远小于少数载流子的扩散长度。如图。可见，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。双极型晶体管的静态特性和发射区和集电区中的少数载流子分布可以用类似上述基区情况的方法求得。在图中，发射区与集电区中性区域的边界条件为二、发射极和集电极区域

：其中nEO和nCO分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度。设发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度LE和LC，将边界条件代入得到双极型晶体管的静态特性由少子分布可计算出晶体管中的各项电流成分。在x=0处，由发射区注入基区的空穴电流IEp与少数载流子浓度分布的梯度成正比，因此当W/Lp<<1时，空穴电流IEp可以由式放大模式下理想晶体管的电流

：同理，在t＝W处由集电极所收集到的空穴电流为表示为双极型晶体管的静态特性当W/Lp<<1时，IEp=ICp。集电极电流IC=ICp+ICn，即可见12=21。理想晶体管的IB=IE-IC，即所以，晶体管三端点的电流主要是由基极中的少子分布来决定，一旦获得了各电流成分，即可由其中得出共基电流增益双极型晶体管的静态特性例2：一个理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为1019cm-3、1017cm-3和5×1015cm-3，而寿命分别为10-8s、10-7s和10-6s，假设有效横截面面积A为0.05mm2，且射基结正向偏压在0.6V，试求晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W＝0.5μm。解：在基极区域中在发射极区域中双极型晶体管的静态特性因为W/Lp=0.05<<1，各电流成分为共基电流增益0为双极型晶体管的静态特性根据射基结与集基结上偏压的不同，双极型晶体管有四种工作模式。下图显示了一p-n-p晶体管的四种工作模式与VEB、VCB的关系，每一种工作模式的少数载流子分布也显示在图中。如在放大模式下，射基结是正向偏压，集基结是反向偏压。在饱和模式下，晶体管中的两个结都是正向偏压，导致两个结的耗尽区中少数载流子分布并非为零，因此在x=W处的边界条件变为工作模式双极型晶体管的静态特性在截止模式下，晶体管的两个结皆为反向偏压，边界条件变为pn(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶体管可视为开关断路(或是关闭)。在反转模式下，射基结是反向偏压，集基结是正向偏压；在反转模式下晶体管的集电极用作发射极，而发射极用作集电极，相当于晶体管被倒过来用。由于集电区掺杂浓度较基区浓度小，造成低的“发射效率”(较小)，在反转模式下的共基电流增益0(0=

T)较小。在饱和模式下，极小的电压就产生了极大的输出电流，晶体管处于导通状态，类似于开关短路（亦即导通）的状态。双极型晶体管的静态特性若要使IC=0，必须使集基结上正向偏压，进入饱和模式，对于硅，需加正向偏压VCB=-VBC≈1V。如图(b)所示，正向偏压增大x=W处的空穴浓度，并与x=0处相等，此时空穴浓度梯度=0，造成IC=0。图(a)中的空穴分布也显示出这种情形，x=W处在从VBC＞0变为VBC=0后，空穴梯度只改变少许，使得集电极电流在整个放大模式范围下几乎相同。双极型晶体管的静态特性其中β0为共射电流增益，是IC对IB的微分且下图是一个共射组态下的p-n-p晶体管，将式IB=IE-IC代入共射组态晶体管的电流-电压特性

可得出共射组态下的集电极电流定义此电流是当IB=0时，集电极与发射极间的漏电流。因此双极型晶体管的静态特性因为0≈1且0＜1，使得β0>>1，所以IB的微小变化将造成IC的剧烈变化。下图是不同的基极电流下，输出电流-电压特性的测量结果。可见当IB=0时，集电极和发射极间还存在一不为零的ICEO。假设基极的中性区域宽度(W)为定值时，在共射组态的理想晶体管中，固定的IB下，且VEC>0(即处于放大区)时，IC与VEC不相关。双极型晶体管的静态特性放大但实际上，基极中的空间电荷区会随着VEC改变，使得基区的中性区域宽度(W)是VEC的函数，因此IC将与VEC相关。当VEC增大时，W减小，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此IC也会增加。下图显示出IC随着VEC的增加而增加，这种电流变化称为厄雷效应，或称为基区宽度调制效应，将集电极电流往左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压VA。双极型晶体管的静态特性CIECV0AVBI例3：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。求出共射电流增益β0，并以β0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。解：发射效率为基区输运系数为共基电流增益为因此可得所以双极型晶体管的静态特性前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性)，没有涉及其交流特性，也就是当一小信号重叠在直流值上的情况。小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压、电流值。频率响应

高频等效电路：图(a)是以共射组态晶体管所构成的放大器电路，在固定的直流输入电压VEB下，将会有直流基极电流IB和直流集电极电流IC流过晶体管，这些电流代表图(b)中的工作点，由供应电压VCC以及负载电阻RL所决定出的负载线，将以一1/RL的斜率与VCE轴相交于VCC。双极型晶体管的频率响应与开关特性RL下图(a)是此放大器的低频等效电路。图(b)表示在高频率的状况下，必须在等效电路中加上适当的电容。与正向偏压的p-n结类似，在正向偏压的射基结中，会有一势垒电容CEB和一扩散电容Cd，而在反向偏压的集基结中只存在势垒电容CCB，如所示。当一小信号附加在输入电压上时，基极电流iB将会随时间变动，而成为一时间函数，如右图所示。输入电流iB的变动使得输出电流iC跟着变动，而iC的变动是iB变动的β0倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。双极型晶体管的频率响应与开关特性gEB其中称为跨导(transconductance)称为输入电导(inputconductance)。而基区宽度调制效应(厄雷效应)，将产生一个有限的输出电导。另外，基极电阻rB和集电极电阻rC也都列入考虑。图(c)是加入上述各器件后的高频等效电路。双极型晶体管的频率响应与开关特性gEB截止频率：在右上图中，跨导gm和输入电导gEB与晶体管的共基电流增益0有关。在低频时，0是定值

(0≈1且0<1)，不会因工作频率而改变，然而当频率升高至一关键点后，0将会降低。右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图。加入频率参量后，共基电流增益为其中0是低频(或直流)共基电流增益，f是共基截止频率，当工作频率f=f时，的值为0.7070(下降3dB)。双极型晶体管的频率响应与开关特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf频率Hz/右图中也显示了共射电流增益，由上式可得其中fβ称为共射截止频率

由于0≈1，所以fβ<<f。另外，截止频率fT(又称特征频率)定义为|β|=1时的频率，将前式等号右边的值定为1，可得出由于0≈1且0<1，因此fT很接近但稍小于f。双极型晶体管的频率响应与开关特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf频率Hz/其中A是器件的截面积，p(x)是少数载流子的分布，空穴经过基区所需的时间τB为特征频率fT也可以表示为fT=(2πτT)-1，其中τT代表载流子从发射极传输到集电极所需的时间，它包含了发射区延迟时间τE、基区渡超时间τB以及集电区渡越时间τC。其中最主要的时间是τB。少数载流子在dt时段中所走的距离为dx＝v(x)dt，其中v(x)是基区中的少数载流子的有效速度，此速度与电流的关系为双极型晶体管的频率响应与开关特性以线性空穴分布为例，将要改善频率响应，必须缩短少数载流子穿越基区所需的时间τB，所以高频晶体管都设计成短基区宽度（W）。由于在硅材料中电子的扩散系数（Dn）是空穴（Dp）的三倍，所有的高频硅晶体管都是n-p-n的形式(基区中的少数载流子是电子)．另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂基区，掺杂浓度变化(基区靠近发射极端掺杂浓度高，靠近集电极端掺杂浓度低)产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动，因而缩短基区渡越时间。代入和双极型晶体管的频率响应与开关特性

开关瞬态过程在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关。可以利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)的状态成为开(on)的状态(反之亦然)。关是高电压低电流的状态，开是低电压高电流的状态。图(a)是一个基本的开关电路，其中射基电压瞬间由负值变为正值。图(b)是晶体管的输出电流，起初因为射基结与集基结都是反向偏压，处于截止区，集电极电流非常低，发射极与集电极间不导通(关)；但射基电压由负变正后，集电极电流沿着负载线，经过放大区最后到达高电流状态的饱和区，此时射基结与集基结都变为正向偏压，发射极与集电极间导通(开)。双极型晶体管的频率响应与开关特性图(a)显示一输入电流脉冲在t＝0时加在射基端点上，晶体管导通在t＝t2时，电流瞬间转换到零，晶体管关闭。集电极电流的暂态行为可由储存在基区中的超量少数载流子电荷QB(t)来决定，图(b)是QB(t)与时间的关系图。在导通的过程中，基区储存电荷将由零增加到QB(t2)；在关闭的过程中，基区储存电荷由QB(t2)减少到零。双极型晶体管的频率响应与开关特性开关时间指晶体管状态从关变为开或从开变为关所需的时间。当QB(t)＜Qs时，晶体管工作于放大模式下，其中Qs是VCB=0时基区中的电荷量。当QB(t)=Qs时，晶体管工作于饱和区的边缘。当QB(t)>Qs时，晶体管工作于饱和区。

IC对时间的变化显示在图(c)中。在导通的过程中，t<t1时，QB<Qs，工作在放大模式下；t=t1时，基区电荷量QB=Qs，由放大区达到饱和区边缘；当t>t1时，QB>Qs，晶体管进入饱和模式，而发射极和集电极电流大致维持定值。图(d)显示在t>t1时，空穴分布pn(x)与t=t1时平行，所以在x=0和x=W处的空穴浓度梯度即电流维持相同。在关闭的过程中，器件起初是在饱和模式下，直到QB降至Qs，重新回到放大模式。由t2到QB=Qs时的t3这段时间称为存储延迟时间。器件在t=t3后，IC以指数形式衰减到零。

双极型晶体管的频率响应与开关特性（b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2t

导通时间取决于能如何迅速地将空穴(p-n-p晶体管中的少数载流子)加入基极区域，而关闭时间则取决于能如何迅速地通过复合将空穴移除。晶体管开关时最重要参数是基区的少子寿命τp。一个有效降低τp、使转换变快的方法是加入接近禁带中点的产生-复合中心，使导通时迅速产生少子，关闭时迅速复合少子。双极型晶体管的频率响应与开关特性由于HBT发射区和基区是不同的半导体材料，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，当基区输运系数αT非常接近1时，共射电流增益可表示为异质结双极型晶体管(HBT)是指晶体管中的一个或两个结由不同的半导体材料所构成。HBT的主要优点是发射效率较高，其应用基本上与双极型晶体管相同，但HBT具有较高的速度，可以工作在更高的频率。因为其具有这些特性，HBT在光电、微波和数字应用上非常受欢迎。如在微波应用方面，HBT常被用来制造固态微波及毫米波功率放大器、震荡器和混频器。HBT的电流增益

：

异质结双极型晶体管

发射区和基区中的少子浓度可写为

对n-p-n型晶体管，将代入可得异质结双极型晶体管发射区少子浓度。对于同质结晶体管，可通过重掺杂发射区以减小其数值基区少子浓度。对于同质结晶体管，可通过轻掺杂发射区以增加其数值发射区禁带宽度。对于异质结晶体管，EgE与pEO成反比，增大EgE使pEO数值减小，以增大和β0基区禁带宽度。对于异质结晶体管，EgB与np0成反比，减小EgB使np0数值增大，以增大和β0因此，由于HBT发射区和基区半导体材料的不同，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，且异质结双极型晶体管

注意：发射区为宽禁带、基区为窄禁带半导体材料，才能实现对电流增益的提高。一般情况下，异质结晶体管的发射区和基区材料间具有很大的禁带宽度差ΔEg，发射效率和共射电流增益β0可以提到很高。而同质结晶体管并无禁带宽度差存在，必须将发射区和基区的掺杂浓度比提到很高，这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的不同处。大部分HBT的技术都是在AlxGa1-xAs/GaAs材料系统中发展的，右图是一个基本n-p-n型HBT结构。

n型发射区是以宽禁带的AlxGa1-xAs组成，为了形成欧姆接触，在发射区接触和砷化铝镓层之间加了一层高掺杂浓度的n+型砷化镓。p+型基区是以窄禁带的GaAs组成。

n型集电区和n型次集电区分别以低掺杂浓度和高掺杂浓度的GaAs组成。基本HBT结构异质结双极型晶体管发射区和基区间的能带差在异质结界面上造成了一个能带偏移。事实上，HBT优异的特性是直接由价带在异质界面处的不连续所造成的。ΔEV增加了射基异质结处价带势垒的高度，此效应使得HBT不必像同质结晶体管那样必须降低基区掺杂浓度以保证发射区和基区较高的掺杂浓度比，HBT可以使用较高掺杂浓度的基区，而同时维持极高的发射效率和电流增益；基区的高掺杂浓度可降低基区的方块电阻，且基区可以做得很薄而不需担心穿通效应。穿通效应是指集基结的耗尽层往基极延伸，最后与射基结的耗尽层接触的现象。窄基区宽度可以降低基区渡越时间τB

，且增加截止频率，这正是人们期望的特性。异质结双极型晶体管HBT表现出的性能优势：二、硅/硅锗(Si/SiGe)系异质结，此系统有几项特性在HBT的应用中非常具有吸引力。如同砷化铝镓/砷化镓HBT，硅/硅锗HBT也因禁带宽度差可重掺杂基区而具有高速能力。硅界面具有低陷阱密度的特性，可以减少表面复合电流，确保在低集电极电流时，仍可维持高的电流增益。可与标准硅工艺技术相容。不足之处：与砷化镓系和磷化铟系HBT相比，截止频率低。(硅的载流子迁移率较低造成)一、磷化铟(InP)系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)异质结构有相当多的优点。InP/InGaAs结构具有非常低的表面复合，而且InGaAs的电子迁移率较GaAs高出很多，使基区渡越时间τB大大降低，具有相当优异的高频性能，其截止频率可高达254GHz。InP集电极在强电场时比GaAs集电极具有更高的漂移速率，提高信号传输速度。InP集电极击穿电压亦比GaAs集电极高，抗击穿性能强。先进的HBT异质结双极型晶体管2.制作缓变基区，以将由发射区到基区的禁带宽度减小。将基区AlxGa1-xAs中的Al的摩尔比率x由0.1~0作线性变化就可以实现缓变基区。其中存在一内建电场Ebi于准中性基区内，降低少子的基区渡越时间τB，增加了HBT的共射电流增益与截止频率。在前面基本HBT的能带图中，导带上的能带不连续ΔEC迫使异质结中的载流子必须以热电子发射或隧穿的方法才能越过势垒，因而降低发射效率和集电极电流，是我们所不希望的。此缺点的克服由如下方式达到：1.制作缓变层异质结，消除ΔEC，下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带图，缓变层的厚度为Wg。先进的HBT异质结双极型晶体管一个四层p-n-p-n器件，由3个串接的p-n结J1、J2、J3组成。与接触电极相连的最外一p层称为阳极，另一边的n层称为阴极。这个没有额外电极的结构是个两瑞点的器件，被称为p-n-p-n二极管。在p-n-p-n二极管的基础上，在内层的p2层上引出第三端电极，构成的三端点器件一般称为可控硅器件。引出的第三端电极为栅极。可控硅器件的用途：1.是一种非常重要的功率器件，对电流、电压的控制范围很广，可控制高电压(额定电压可超过10000V)和高电流(额定电流超过5000A)；2.用于开关控制，即：使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然；3.其工作与双极型晶体管的相同之处：传导过程皆牵涉到电子和空穴，不同之处：开关机制和结构。基本特性

：可控硅器件及相关功率器件

制作过程：图(b)是一典型的可控硅器件掺杂浓度分布图，首先选一高阻值的n型硅片当作起始材料(n层)，再以一扩散步骤同时形成p1和p2层，最后用合金或扩散，在硅片的一边形成n2层。能带图：图(c)是可控硅器件在热平衡状态下的能带图；其中每一个结都有耗尽层，其内建电势由掺杂浓度决定。可控硅器件及相关功率器件

AK1J2J3J1p2p1n2n2010201020102010阴极阳极（a）0=xWx=掺杂浓度VECECEVE)(b)(c(1)-(2)：器件处于负电阻区域，也就是电流随电压急骤降低而增加。(2)-(3)：器件处于正向导通或开启状态，具有低阻抗，在点2处dV/dI=0，定义保持电流Ih和保持电压Vh。(0)-(4)：器件处于反向阻断状态。(4)-(5)：器件处于反向击穿状态。p-n-p-n二极管电流-电压特性，其展现出五个不同的区域：(0)-(1)：器件处于正向阻断或是关闭状态，具有很高的阻抗；正向转折(或开关)发生于dV/dI＝0；在点1定义正向转折电压VBF和开关电流Is。高阻抗低电流的关闭状态低阻抗高电流的开启状态可控硅器件及相关功率器件

因此，p-n-p-n二极管在正向区域是个双稳态器件：p-n-p-n二极管可视为用特殊方式连接在一起的pnp(a1)和npn(a2)晶体管，基极连接对方的集电极。pnp晶体管(共基电流增益为α1)的基极电流为：npn晶体管(共基电流增益为α2)的基极电流为：Ep1p2n1p2n2n1BCEBCII(a1)(a2)RIB1=IC2IC