半导体的器件物理

现代半导体器件物理PhysicsofModernSemiconductorDevices双极型品体管及相关器件2019,7,302代半算体器件物理天津丁此大学1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扱型晶体苜及相关器件2天津r北大学琬代半每体器件物理双极型晶体管的工作原理双极型晶体管(bipolartransistor)的结构双极型品体管是最黾要的半导体器件Z、住心I速电路、校拟电路、功率放人等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种屯P与今:穴皆参与导通过程的半导体器件,巾两个相邻的耦合p-n结所组成,其结构可为p-n-plEn-p-n的形式。如图为J—p-n-p双极梨晶体管的透视图,其制造过程是以p型节导体为衬底,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彻区域上以热扩散形成一高浓度的型区域,接若以金属覆盖p+、n以及下方的p型区域形成欧姆接触。天津r北大学琬代半导体器件物理双照罜品沽相关3双极型晶体管的工作原理双扱選晶体苜及相关器件4天津I北大学阁GO为理想的一维结构p-n-p双极增品体管,具有三段不同摻杂浓度的区域,形成两个p-n结。浓賴高的p+区域称为发射区（emitter,以E表示）；屮间较窄的n型区域,其杂质浓度屮等,称为基区（b宽度需远小于少戟流子的扩散长度；（collectorr用C我示）。ase,用B表示）,基区的浓度最小的p型区域称为集电区图（b）为p-n-p双极型晶体管的电路符号,图中亦显示谷电流成分和电压极性,箭头和“十”、“一”符号分别表示晶体管在一般工作模式（即放大模式）下各电流的方向和电压的极性,该模式下,射基结为正向偏压（VEB>0）,而集基结为反向偏压（VeB<0）。双极型晶体管的工作原理双极型晶体管(pnp型)工作在放大模式m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K域分别表示两个p-n结的粍图(b>显示三段擰杂区域的杂质浓度,发射区的擰杂浓度远比集屯区大,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)是品体管的能带图,它只是将热平衡状态下的p-n结能帯直接延伸,应用到两个相邻的耦合p+-n结与n-p结。各区域中匕保持水平mmh,,"瞥双扱選源体曹及相关器件5双极型晶体管的工作原理双极型晶体管工作在放大模式图(a)为工作在放人役式下的共菇组态p-n-p型品体管,即基极被输入与输出电路所共用,图⑹与图(c)表示偏压状态下空问电荷密®与电场强度分布的倩形,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。阁(d)坫晶体管工作在放大模式下的能带阁,射坫结为正向偏什:,W此空穴由P+发射区注入基区,而电子由基区注入发射区。11J・L4双极型晶体管的工作原理在理想的二极管中,耗尽IX: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。而集坫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來的载流子的“集电极”名称的由來。琬+t^体ILI双极型晶体t的工作原理___________如果大部分入射的空穴都没有与基区中的电子炱合而到达集电极，则集电极的空穴电流将非常地接近发射极空穴电流:Up可见，由如近的射基结注射过來的空穴可在反向偏压的集基结造成大电流，这就足品体筲的放大作用，而且只有当此两结彼此足够接近时（基宽嗖足够窄）才会发生，図此此两结被称为结。相反地，如果此两p-n结距离太远（基g宽度太大），所有入射的空穴将在基区中与电子复合而无法到达集基区，并不会产生品体管的放大作用，此时p-n-p的结构就只是单纯两个背对背连接的p-n二极管。瑰代半毎体器件物理双扱型晶体管及相关器件8双极型晶体管的工作原理电流增益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敁大的电流成分IEp。大部分的入射空穴将会到达災屯极而形成基极的屯流有__二个，即Igg、l£n、Icn。其屮IBB代表由基极所供应、与入射空穴合的电f电流（即^BB=kp~^cp）;kii代表由基&注入发射K的电子电流，是不希望有的电流成分:弋表集电结附近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流。发J区(p+)苓区巢电1},EPfc.k——•z*-———•Afrarvitn:苧六由*-—►电子电流和空穴流1——-*—电子碓图4.5双源体®及相关器件9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屯流成分來衣示品体宵屮有一项屯要的参数,称力共基电流増益,定义力发射区V)基B(n)衆电区(尸＞國}'£Ph：ificT7z>-**——_j'-iyiS穴电潦-►电子电流和空穴洗4----电子漳图4,5因此,得到天津r北大学琬代半每体器件物理双姻曜組及相关器件10双极型晶体管的工作原理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:第二项称为基区输运系数,是到达集电极的空穴电流与由发射极入射的空穴电流蟥的比,即发射区(/>-)基区(to集电区空穴电浼-►电？电濂和空穴洗4----电子濂图4.5/cPaT=—7

Ep所以双极型晶体管的工作原理对合格的品体管,lEn远比IFP小,且Iq^IEp非常接近,aT-My都趋近丁1,因此％也接近ru。集电极电流可用0^>示,即Ar"=M仏七c”Y其屮是发射极断路时（即集柚极间的电流,记为1_,前两个下标（CB）表示集、基极两端点,第三个下标（O）表示第三端点（发射极）断路,PJrtZlCB0代衣当发射极断路时,集44极之间的漏电流。共基组态下的ft电极电流可表示为发射区（广）基区⑷集电gip）-S空穴电庞--*电子电和空穴流<----电子流图4.&工}rEP■.-1/e/ii.―…™1j'B/i天津r此大学琬代半导体器件物理双扱坦源体霣及相关器件12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.Ig^O.OlmA.1^=2.990^、ICn=O,()()lmA.试求出下列各值：⑻发射效率y;⑼基区输运紊数aT;(c＞共基电流増益Oq;(d)ICBOo解(a)基区输运系数为(b)(c)(d)共基电流增益为共基电流增益为发射醇为严'天津学双极型晶体管的静态特性各区域中的载流子分布为推导出理想品体行的电流、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K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。天津ZUE大学现代半导体器件物理双扱圾晶体霣及相关器件14双极型晶体管的静态特性基区区域:图(C)显示结h的电场强度分布,在駆屮性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方稈式衣示:其中分别表示少数载流f的扩散系数和寿命。上式的,般解为I——*二,-其中么=y[^,々>'<的扩散长度,边界条件常数CJDC2可由放大模式下的Pn(MZ)=O决定。双极型晶体管的静态特性将边界条件代入困16攻大瘓式晶体管中各区域得少數裝孜了分布得基区集电区np1_^_fk其中pn()是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度,可由Pll(FiV/NB决定,?^表示基区中均匀的施主浓度。第一个边界条件式表示在正向偏压的状态下,射S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乘上exp(qVEB/kT)Q第二个边界条件表示在反向偏压的状态下,集基结耗尽区边缘(x=W)的少数载流子浓度为零。rV:i天津大学现代半导体器件物理双扱選通体霣&相关器件16双极型晶体管的静态特性当x«l吋,sinh(x)将会近似于x。所以-^W/Lp«l吋,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。如阁。可见，山线性少数裁流子分布的合理假设，吋简化电流-电压特性的推导过程。團16放大模式下p-n-pA体管中各区域得少數載濃子分布17双极型晶体管的静态特性二、发射极和集电极区域: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怙况的方法求得。在阁中，发射区与集电区巾性区域的边界条件为嘲和其屮nED和neQ分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度、没发射区和集电区的宽嗖分别远人于扩散松度［^和!^,将边界条件代入双极型晶体管的静态特性放大模式下理想晶体管的电流由少子分布可计算出品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r-浓度分布的梯度成正比,因此当w/lp«i吋,*----*rm同理,在t=W处由集电极所收集到的空穴屯流为当W/Lp«l时,lv=lc?.双极型晶体管的静态特性___________天津工北大学而IEn是由姑区流向发射区的电子流形成的,Ien是由集电区流向基区的电子流形成的,分别力其中M1=^ffi4.6级大痕式FsnrrS体管中其&域籍少®•«子分布其q'DjnDc分别为电子在发射区和集电r中的扩散系II什端点的电流可由以上外方程式得出、发射极电流即4双极型晶体管的静态特性对见«i2=理想晶体管的即所以,晶体管三端点的电流主要是由g极中的少子分布来决定,一旦获得了各电流成分,即可由,三二y和a-得出共基电流增益rE么+^/tp双极型晶体管的静态特性例2:—个理想的p+-n-p品体管,其发射区、棊K和集电区的擰杂浓度分别为10l9cm-\10i7cnr3和5XlO'W3,而寿命分别为KT8s、IO7s和l0_6s,假设有效横积A为O.O5mm2,且射姑结止向偏K在0.6V,试求晶体管的共基电流增益、其他晶体管的参数hDe=Icm2/s>D=IOcm2/s.De=2cm2/s、W=0.5Hnio解:在基极区域中在发射极IX域屮天津1处大学琬代半导体器件物理双扱選源体霣及相关器件22双极型晶体管的静态特性因^jW/Lp=().()5«I,各电流成分为丼基电流增益％为rz天津大学现代半导体器件物理双扱製筋体霣及相关器件23双极型晶体管的静态特性WE镑和換114在W/Lp«l的情况卜‘,由可将发射效率简化为或z=

1+£e^jDNf

Lpt其中NB=n2/Pn0^M区的捧杂浓度,NE=n^/nEO是发射K的掺杂浓度。可见,欲改苦7,必须减少NB/Nh,也就是发射K的摻杂浓度必须远大十接区,这也是发射区用/重掺杂的原因,24双极型晶体管的静态特性工作模式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-*p-n-p晶体管的四种工作模式与VFB.关系，每一种工作模式的少数载流/•分布也显示在图中。如在放大模式下，射沾结足止:内偏压，集基结是反向偏压。在饱和模式卜‘,晶体管中的两个结都足正向偏H;,导致两个结的耗尽区屮少数载流子分布并非为零,W此在x=W处的边界条件变为歉大蟾和■.-!.!/'II~K截止-SW阁4.7卯种遍蛛赞工fr快忒下得姑懈性4少敢战遭子分作双极型晶体管的静态特性在饱和模式卜\极小的电K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4讪）的状态。在截止模式下,品体管的两个结涔为反向偏边界条件变为pn（O）=pn（W）=O,截止模式下的晶体管可视为幵关断路（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F品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”（yK小）,在反转模式下的共基电流邊益（^叫=yaT）$J小。EBcoW放大截itow饱和EBC0w反转[¥H.7四种品体下帚姑极竹7少数敏我于分相双极型晶体管的静态特性其他模式的电流、电乐关系皆可以用类似放大模式下的步骤得出，似要适当地更改边界条件，各模式下电流的一般表示式可写为上二式各结的偏压视晶体管的工作模式可力正或负。其中系数au、a]2.a2l和ot22可各山以下各式分别得出。现代牛琴ffffi件初埋Ar扱相^双极型晶体管的静态特性共基组态晶体管的电流-电压特性共基组态晶体管的丛极为输入端与输出端所共用,其电流-电)玉特性仍可用下式描述,其中VFR和VBf分别足输入与输出电川,而idDIf分别力输入与输出电流图(a)是一个共基组态b*的p-n-P晶体管,图(b)则为其输出电流-电压特性的测最结果丼标示出不同C作模式的区域。放大区集电极与发射极屯流几乎扣M(OnM).并几乎与VBe不扣关,即使Vec=()V,空穴依然被集电极所吸引,因此集电极屯流仍维持-固定值。為＞I;I、〜Ik

么yaT叫KM4II«AIMib£•!.«［蚜时双极型晶体管的静态特性阁⑻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,空穴梯度只改变少汴,使得集电极电流在整个放大模式范围下几乎相同。若要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VeB=-v&c=iv。如图(b)所示,正向偏压増大x=W处的卞穴浓嗖,并与x=0处相等,此时空穴浓度梯度=0,造成lc=0»放大模式=ovBC>o(wta和棋式中枵结窗为止向摘压困4.9p-n-p晶体管基授中的少数鷇淹子分布双极型晶体管的静态特性定义共射组态晶体管的电流-电压特性下图是-•个共射组态下的p-n-p晶体管,将式IB=IrIc代入H可得出共射组态下的集电极电流其中h为共射电流増益,是Ic对的微分n/?冷=产_CROCEO~~卜a0此电流是当IB=0时,集电极与发射极I'Hj的漏电流。因此双极型晶体管的静态特性因为紀1fta0<Ir使得p0〉>I,所以IB的微小变化将造成Ie的剧烈变化。下ffl是不同的M极电流下,输出屯流-电压特性的测量结果。可见当IR=0吋,集电极和发射极间还存在一不为零的ICEOC假没基极的中性区域宽度(W)为定位时,在共射组态的理想晶体管中,固定的IB下,且¥^>0(即处于放人IX:)吋,Ie与VEe不相关。Ic/IA4放大7b；其1电*‘电压特性天津r北大学琬代半导体器件物理双扱製源体霣及相关器件31双极型晶体管的静态特性但实际十.，基极中的空间电荷区会随®vEC改变，使得基区的中性区域宽度(W)是VEe的函数:因此Ie将与VEe相关。当vEe增人吋，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Ie也会增加。下图显示出Ieffi着VEe的增加而增加，这种电流变化称为吆盂效应，或称为基区宽度调制效应，将ffi屯极电流往左方延仲，,-jVFC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压VA。(ki天津工北大学la琬代半每体器件物理双极選晶体霣及相关器件32双极型晶体管的静态特性例3:已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA.［^=0.01mA.ICp=2,99mA.ICll=<).OOlmA求出共射电流增益pQ，并以pQ和1CBO^示Lkt并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为并求出IeEQ的值。解:发射效率为所以双扱型晶体苜及相关器件33双极型晶体管的频率响应与开关特性频率响应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•小信号重叠在直流值匕的情况。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。IbM7777髙频等效电路:图(a)是以ft射组态晶体管所构成的放大器电路，在固定的直流输入电tevEBF，将会有直流基极电流IB和直流集电极电流流过品体锌，这些电流代表图(b)中的工作点，由供应电ffiVcc以及负战电叫所决定出的负载线，将以一的斜/率与VeE轴相交于Vrc。fp1kliBill■:b)1体l_»_參双极型晶体管的频率响应与开关特性当一小信号附加在输入电乐I:吋,稱极电流^将会随时间变动,而成为一时间函数,如右图所示。输入电流^的变动使得输出电流k跟着变动,而的变动是iB变动的MlW此晶体管收人器将输入信4放人了。下图(a)是此放大器的低频3效电路。图(b)衣示在必频率的状况下,必须在等效电路中加上适当的电容。与正向偏扭的p-n结类似,在正向偏佧的射蓰结中,会有一势垒电容CEB和一扩散电容Cd,而在反向偏托的集基结中只存在势垒电容CeB,如所示。Ii?U10-<-—LjV_I、.rH1、t：w™■警riIfitlIVrbi.i(b)ABtUHBfim1442-1O*-r‘*■€Z+3*i»1

*C)•-r-，、£Z士〕■、V-T其屮Oc*fi,田r]j双极型晶体管的频率响应与开关特性gE8=称为输入电寺(inputconductance)•而基lx:览役调制效应(厄雷效应＞,将产生一个有限的输出屯导。gm=士',EB称力导(Iransconductance)[H象鼻•IIttR(C8ec^~VEC另外,基极电阻「8和集电极电阻rf.也都列入考虑。图(c)是加入上述各器件后的频等效咆路。双极型晶体管的频率响应与开关特性截止频率:在右上图中，跨导gln和输入屯导与晶体管的共S电流增益a。有关。在低频时，％是定位（％=1且a（）＜1＞，不会W工作频率而改变，然而当频率升高至一关键;V后，a«将会降低。右下图是一典型的共基电流增益相对于丄作频率的示意图。加入频中:参后，共基电流増益为其中a＜｝是低频（或直流）共基电流增益,fa是共基截止频率,当工作频率f=fa时,a的值力0,707a（/卜降3dB）。11.±-J-<_八_》十f双极型晶体管的频率响应与开关特性右图中也品示了共射电流增益,式可得:爲其中4称为几射舰Ik顿韦由于所以fp«1a。由上10另外,截止频率~（乂称特M:频申）定义为IPM吋的频率,将前式等号右边的值定为1,可得出由丁wlHo^l,因此卜很接近但稍小Pfa。现代半导体器件物理双极坦晶体霣及相关器件38双极型晶体管的频率响应与开关特性______特征频率fT也可以表示(2&>人其中巧代表载流子从发射极传输到集屯极所需的吋阅,它包含了发射区延迟时间Th、基区渡超吋间以及集电区渡越时间Tp其中最主要的时间是TB。少数载流子在dt时段中所走的距离为dx=v(x》dt,K中V(x)是a区中的少数载流子的冇效速度,此速度与电流的关系为其中A足器件的截而积,p(x)是少数载流子的分布,帘穴经过基区所盂的时间1^为WJIVX>44双极型晶体管的频率响应与开关特性以线性仝穴分布为例,将代入和購IV22Dr要改善频率响应,必须缩短少数载流子穿越基区所需的吋间t8,所以频品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（0„）是空穴（D）的.£倍,所冇的尚频硅品体管都足n-p-n的形式（基区中的少数战流电/）.另-个降低基K渡越时间的方法是利用有内迚电场的缓变搽余®[＜,掺杂浓度变化（沾K:靠近发射极端搀公浓度岛,靠近集电极端摻杂浓度低）产生的内建电场将有助于战流子往集电极移动,M而缩短《「＜渡越吋间。双极型晶体管的频率响应与开关特性图(a)是一个基本的开关电路,其中射基电压瞬I'h］由负值变为正值。图(b)是品体管的输出电流,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(叉)；但射基电压由负变正后,集电极电流沿着负载线,经过放大区到达商电流状态的饱和K,此吋射基卜结与集基结都殳为正向偏发射极与集电极间4'h.辿(汗开关瞬态过程在数字电路中品体管的主要作用是当作开关。吋以利用小的基极电流在极短吋|Hj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,哉电J玉低电流IKj状态,汗是低电托尚电流fi姆H态双极型晶体管的频率晌应与开关特性歼叉吋问指晶体管状态从关变为丌或从开变为关所芯的吋间。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$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(O与时间的关系图。在导通的过程中,基区储存电荷将山零增加到QB(t2)；在关闭的过程中,基区储存电荷*QB(u)减少到零。ictnuiriiH双扱選通体霣及相关器件42双极型晶体管的频率响应与开关特性Qs当Qr(O<Q,吋,晶体管工作于放人校式卜,其+仏是^^⑷时基区中的电做量。当QB(t)=Qs时,晶体管工作于饱和区的边缘,当Qb<t)>Q、时,晶体管工作于饱和Ie对时间的变化显示在阁(C)4,在导通的过程中，叫时，Qb<Qs，工作在放人模式下；t=tj时，基区电荷量Qb=Qs，巾放人K达到饱和［X边缘:当叫吋，qr>qs晶体管进入饱和悦乂，而发射极和集电极电流大致维持定值。图(d)显示在【:^时，空穴分布pn⑻与t=tj时平行，所以在x=0和x=W处的空穴浓度梯度即屯流维持相同。在关闭的过程中，器件起初是在饱和校式下，直到QB降至Qs，重新回到放大模式。lllh刊QH=QJbj的t.吋I'Hj称人1?砧记迟H4阆。器件在t=t3后，^以指数形式衰减到零。■P(||i1-HtLJ，

1«双极型晶体管的频率响应与开关特性■*IV蠱■烽綺••人雎冷■存•菁_M!W_T化.（«i«4鯽鹜《t.?!）■attTR«・,》_・扈F耸龕导迎吋|ii］取决于能如何迅速地将中穴（p-n-p品体管中的少数载流f）加入基极区域,而炎闭时I川则取决于能如何迅速地通过哀合将空穴移除。晶体管开关时扱屯要参数是丛区的少广存命Tp。一个有效降低ip、使转换变快的方法是加入接近«带中点的产生合屮心,使好通时迅it产生少子,关闭吋迅速复合少子。异质结双扱型晶体管异质结双极型晶体管(HBT)是指晶体管屮的一个或两个结山不同的半导体材料所构成。HBT的主要优点是发射效率Y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I:作在史尚的频中。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2米波功率放大器、震荡器和混频器。HBT的电流增益: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(^非常接近1时，共射电流增益可表示为琬代半每体器件物理双:相关器件45（发身寸［X介1

/y（基図〉/y异质结减小EgB双姻曜組及相关器件46异质结双扱型晶体管因此，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。一般情况卜，W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AEg，发射效率7和共射电流增益可以提到很高。而冋质结晶体管并无禁带宽度差存在，必须将发射区和基区的搀來浓度比提到很高，这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的+处。异质结双扱型晶体管胧快抽基本HBT结构大部分HBT的技术都是在AlxGar,As/GaAsW料系统屮发展的,右阁是一个基本n-p-n型HBT结构。n型发射是以宽禁带的AlKGahxAs组成,％了形成欧姆U触,在发射区接触和砷化铝镓层之M加了一层髙掺杂浓度的型砷化镓。p+嘲萌R是以窄禁带的GaAs组成,n型集电区和n型次忠电区分别以低掺杂浓度和岛掺來浓度的CkiAs组成。发射K和插K间的能带差在异质结界而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。n-GaAs抓昧S触転航TBBT瞇糊ffltn-.•)^-r.nr«WOi示ft)・相4.17双扱坦源体霣及相关器件48异质结双扱型晶体管HBT衣现出的性能优势:1.增加了射基异质结处价带势垒的A度，此效应使得HBT不必像冋质结晶体管那样必须降低基K摻杂浓度以保证发射区和®区较萵的梅杂浓没比，HBT可以使用较岛槔杂浓度的萌区，而同时维持极尚的发时效率和屯流増益；2.基区的岛掺杂浓度可降低基区的方块电阻，且练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棊极延仲，最后与射S结的耗尽层接触的现象。窄沾K宽度可以降低基区渡越吋间tb，ft增加截止频率，这正是人们期望的特性。躑的纖91隱小rBBT釣麓9flffl<IT双扱3溫体番及相关器件49异质结双扱型晶体管先进的HBT一、磷化铟(hP)系(InP/InGaAs或AlInAs/lnGaAs)异质结构有相当多的优点。1.InP/InGaAs结构具有非常低的表面复合,而且InGaAs的电f迁移率较GaAs高出很多,使糊X:时越时大人降低,具有相当优异的频性能,其截止频率可高达254GHzo2.InP集电极在强电场时比GaAs集电极具有更髙的漂移速率,提髙信号传输速度。3.InP觀电极击穿电压亦比GaAs集电极高,抗击穿性能强。二、砧/硅锗(Si/SiGe)系异质结,此系统冇几项特性在HBT的应用中非常具有吸引力。L如冋砷化钔镓/砷化镓HBT,硅/硅锗HBT也因禁带宽度2可®掺杂ffi区而具有高速能力。2.硅界面fl有低陷阱密度的特性,可以减少衣而g合电流,确保在低集电极电流时,仍可维持高的电流增益。3.可与标准硅工艺技术相容。4.不足之处:与砷化镓系和磷化铟系HBT相比,战止频丰低。(硅的载流50异质结双扱型晶体管先进的HBT在前面基木HBT的能带图中,导带上的能带不连续△Ef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,W而降低发射效率和®屯极屯流,是我们所不希盟的。此缺点的克服由如下方式达到,1.制作缓变层异质结,消除AEc,下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带阁,缓变层的厚度为ws。2.制作缓变®区,以将由发射区到基IX的禁带宽度减小。将基KAIxGa^As中的Al的摩尔比率x由0■卜0作殘性$化就可以实现缓变基区。M•中存在一内迚电场Ebl于准中性基区内,降低少子的基区渡越时间化,增加丫HB丁的几射电流增益与截止频率。•—■一賓暧叫可控硅器件及相关功率器件可控硅器件的川途: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，可控制商电压（额定电压可超过10000V）和高电流（额定电流超过5000A）;2,用于H•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态，然；3.其1:作与双极体管的tHlnJZ处:传导过程皆牵涉到电子和空穴，+同之处:开关机制和结构。基本特性,—个士层p-n-p-n器件,由3个十1接的p^nnVUi、J:、组成。与接触电极相连的最p层称为阳K,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二极會。在p-n-p-n二极管的基础上,在内K■的p2^h引出第H端电极,构成的二端点器件一般称为可控硅器倒。引出的第三端电极为栅极。可控硅器件及相关功率器件_作过程:阁(b)是一典型的n了控硅器件掺杂浓度分布阁，首先选一高阻值的n型硅片当作起始W料(n层)，再以一扩散步骤同吋形成卩1和1>2层，用合金或扩敗，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，其内建电势由搽杂浓度决定。J龍«译杰*天津r北大学瑰代半导体器件物理双酬M組及相关器件53可控硅器件及相关功率器件p-n-p-n二极管电流-电托始性，其展现出五个不H的［x:域:(0)-(1):器fT处十il:向阻断或是关闭状志，具有很髙的阻抗；正向转折(或开关)发生于dV/dl=():在点1定义正向转折电压VBF和开关电流Is。(1)-(2):器件处于负电阻区域，也就是电