半导体器件物理(第五章) 施敏 第二版

1、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 5.5 可控硅器件及相关功率器件,相关主题,双极型晶体管的电流增益工作模式 双极型晶体管的截止频率与开关时间 异质结晶体管的优点 可控硅器件与相关双极型器件的功率处理能力,5.1 晶体管的工作原理,晶体管概念：是一种多重结的半导体器件,三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结，浓度最高的p+区称为发射区，中间较窄的n区域，称为基区，浓度最小的p型区域称为集电区。,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

2、光电导效应 光生伏特效应 整流效应 量子力学 材料科学 需求牵引：二战期间雷达等武器的需求,晶体管的发明,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验 1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,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NPN Ge晶体管 (transistor),Bardeen, Brattain, and Sc

3、hockley获1956年诺贝尔物理奖,VEC,+,-,基区n,集电区p,发射区p+,+,+,VEB,VCB,B,C,E,-,-,+,-,VEC,IE,IC,E,C,B,VEB,VBC,+,-,IB,理想p-n-p双极型晶体管,p-n-p双极型晶体管,发射区,-,VCE,+,B,C,E,VEB,VBC,+,+,n+,基区,p,集电区,n,IE,IC,VCE,+,-,E,C,B,+,-,IB,VBE,VCB,理想n-p-n双极型晶体管,n-p-n双极型晶体管,5.1.1 工作在放大模式,由邻近的射基极注射过来的电子可在反向偏压的集基极造成大电流，这就是晶体管的放大作用，而且，只有当此两结彼此足够

4、接近时才会发生，此两结被称为交互 p-n结,双极集成电路中元件的形成过程和元件结构,B E C 典型数字集成电路中NPN晶体管剖面图,p+,p+,n+,n-,p,n+,n+,p-,SiO2,Buried Layer,Metal,pn-Isolation,pn-Isolation,集电结外延，发射结离子注入,5.1.2 电流增益,IE,IC,发射区（p+）,基区（n）,集电区（p）,IEP,ICP,IEn,IBB,ICn,IB,空穴电流和穴电流,电子电流,电子流,IE=IEP+IEn IC=ICP+Icn IB=IE-IC=IEn+（IEP-ICP）-ICn,共基电流增益,发射效率,基区输运系数

5、,综上：,所以,5.2 双极型晶体管的静态特性,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。,各区域少数载流子分布,p-n-p,发射区p+,基区n,集电区p,nEO,nE(x),-xE,0,W,XC,QB,Pn(x),Pn(0),nco,nc(x),Pno,QB,基极区域 发射极和集电极,c,发射极电流,集电极电流,基极电流,结极性与少数载流子分布,E,B,C,nP,pn,nP,0,W,放大,E,B,C,nP,0,W,Pn,nP,饱和,E,B,C,0,W,np,Pn,np,

6、截止,E,B,C,nP,0,W,pn,np,反转,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 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正,各模式下的一般表示式,共基组态输出I-V特性,p+,n,p,E,IE,+,-,B,IB,VEB,+,-,VCB,E B C,IC,P-n-p共基组态,C,饱和,截止,ICBO,放大,IE =6mA,BVCBO,输出电流电压特性,共射组态,共射组态输出电流-电压特性,B,E,-,+,VEB,IB,P,n,P,C,B,E,IE,IC,C,E,VBE,饱和,VCB=0,IB=25uA,截止,BVCEO,ICEO,I,V,厄雷效应,

7、VA,IB,IC,VCE,厄雷电压,又称为基区宽度调制效应,5.3 频率响应与开关特性,高频等效电路,截止频率,共基电流增益,共射电流增益,特征频率,IP=qv（x）p（x）A,开关暂态过程,VEB,VS,t,0,RS,VEB,IE,IB,IC,RL,VCC,-,+,P,n,P+,晶体管开关电路,IB,0,t2,QB（t2）,QS,O t1 ta t2t3,t,IC,IC（t1）,0,t1,ta,t2,t3,ts,基区,Pn（x）,t2,ta,t1，t3,QS,t=0,0,w,5.4 异质结双极型晶体管,异质结双极型晶体管是指晶体管中的一或两个结由不同半导体材料组成，主要优点是发射效率高，具有

8、较高的速度, (NE/NB)exp( Eg/kT),5.5 可控硅器件,P1,n1,P2,n2,J1,J2,J3,a,X=0,X=w,b,J1，J2，J3三个p-n结与接触电极相连的最外层p层称阳极，另一边n层称为阴极。这个没有额外电极的结构是个两端点的器件，被称为p-n-p-n二极管，若另一个称为栅极的电极被连到内层的p层，所构成的三端点器件一般称为半导体控制整流器,可控硅器件,电流电压特性,VBR,反向阻断,正向导通,VBF,VAX,1,Ih,IS,Vh,3,2,正向阻断,4,5,双晶体管示意图,p1,n1,p2,C,n1,p2,n2,IB1=IC2,IC1=IB2,E,B,C,B,E,+,-,R,双向可控硅器件,双向可控硅器件是一种在正或负阳极电压下都可开或关的器件