微电子器件B缓变基区晶体管的电流放大系数

微电子器件B缓变基区晶体管的电流放大系数第1页/共30页3.3

缓变基区晶体管的电流放大系数

1、基区内建电场形成2、基区少子电流密度和少子浓度分布3、基区渡越时间和输运系数4、注入效率和电流放大系数5、小电流时放大系数下降6、发射区重掺杂的影响7、异质结双极型晶体管第2页/共30页

本节以NPN

管为例，结电压为

VBE与

VBC。PN+N0xjcxjeNE(x)NB(x)NCx0xjcxje第3页/共30页

本节求基区输运系数的思路

进而求出基区渡越时间

将E

代入少子电流密度方程，求出

JnE

、nB(x)与

QB

令基区多子电流密度为零，解出基区内建电场E

最后求出第4页/共30页

基区多子浓度与基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场E，使少子在基区内以漂移运动为主，所以缓变基区晶体管又称为漂移晶体管。

3.3.1基区内建电场的形成NB(x)NB(WB)NB(0)WB0x第5页/共30页

在实际的缓变基区晶体管中，的值为

4~8

。

设基区杂质浓度分布为式中

是表征基区内杂质变化程度的一个参数，

当时为均匀基区；第6页/共30页

因为，，所以内建电场对渡越基区的电子起加速作用，是

加速场

。

令基区多子电流为零，解得

内建电场

为

小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度，第7页/共30页

将基区内建电场E

代入电子电流密度方程，可得注入基区的少子形成的电流密度（其参考方向为从右向左）为

3.3.2基区少子电流密度与基区少子浓度分布第8页/共30页

上式实际上也可用于均匀基区晶体管。对于均匀基区晶体管，NB

为常数，这时第9页/共30页

下面求基区少子分布

nB(x)。

在前面的积分中将下限由0改为基区中任意位置x，得：由上式可解出nB

(x)为第10页/共30页

对于均匀基区，第11页/共30页

对于缓变基区晶体管，当

较大时，上式可简化为3.3.3基区渡越时间与输运系数注：将

Dn写为

DB

，上式可同时适用于PNP管和NPN管。

对于均匀基区晶体管，

可见，内建电场的存在使少子的基区渡越时间大为减小。第12页/共30页

利用上面得到的基区渡越时间b

，可得缓变基区晶体管的基区输运系数

为第13页/共30页

3.3.4注入效率与电流放大系数

根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为于是JnE可表示为

已知（3-43a）第14页/共30页

类似地，可得从基区注入发射区的空穴形成的电流密度为式中，（3-43a）（3-43b）第15页/共30页

于是可得缓变基区晶体管的注入效率

以及缓变基区晶体管的电流放大系数第16页/共30页

3.3.5小电流时电流放大系数的下降

实测表明，α

与发射极电流IE

有如下所示的关系。

小电流时

α下降的原因：当发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流密度JrE

的比例将增大，使注入效率下降。第17页/共30页

当电流很小时，相应的

VBE也很小，这时很大，使γ减小，从而使α减小。式中，

当JrE不能被忽略时，注入效率为第18页/共30页

随着电流增大，减小，当但仍不能被忽略时，

当电流继续增大到可以被忽略时，则第19页/共30页

当电流很大时，α又会开始下降，这是由于大注入效应和基区扩展效应引起的。第20页/共30页

3.3.6发射区重掺杂的影响

重掺杂效应：当发射区掺杂浓度NE

太高时，不但不能提高注入效率γ，反而会使其下降，从而使α和β下降。

原因：发射区禁带宽度变窄

与

发射区俄歇复合增强

。

1、发射区重掺杂效应第21页/共30页

对于室温下的硅，(1)禁带变窄第22页/共30页

发射区禁带变窄后，会使其本征载流子浓度ni

发生变化，第23页/共30页NE增大而下降，从而导致α与β的下降。增大而先增大。但当NE

超过(1~5)×1019cm-3

后，γ反而随

随着NE

的增大，减小，增大，γ随NE第24页/共30页(2)俄歇复合增强第25页/共30页

2、基区陷落效应当发射区的磷掺杂浓度很高时，会使发射区下方的集电结结面向下扩展，这个现象称为

基区陷落效应。

由于基区陷落效应，使得结深不易控制，难以将基区宽度做得很薄。

为了避免基区陷落效应，目前微波晶体管的发射区多采用砷扩散来代替磷扩散。

第26页/共30页

3.3.7异质结双极晶体管（HBT）

式中，，当时，，则

若选择不同的材料来制作发射区与基区，使两区具有不同的禁带宽度，则，第27页/共30页

常见的

HBT

结构是用

GaAs做基区，AlxGa1-xAs

做发射区。另一种

HBT

结构是用

SiGe做基区，Si做发射区。

HBT能提高注入效率，使

β得到几个数量级的提高。或在不降低注入效率的情况下，大幅度提高基区掺杂浓度，从而降低基极电阻，并为进一步减薄基区宽度提供条件。

在SiGeHBT