半導(dǎo)體器件物理(1)ppt課件

1、現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1 1Physics of Modern Semiconductor Devices2004,7,30現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2 2本章內(nèi)容本章內(nèi)容q雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理q雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性q雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性q異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管q可控硅器件及相關(guān)功率器件可控硅器件及相關(guān)功率器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理

2、現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3 3雙極型晶體管雙極型晶體管(bipolar transistor)的構(gòu)造的構(gòu)造 雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的運(yùn)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)經(jīng)過(guò)程的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)所組成，其構(gòu)造可為p-n-p或n-p-n的方式。 如圖為一p-n-p雙極型晶體管的透視圖，其制造過(guò)程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱分散的原理在p型襯底上構(gòu)成一n型區(qū)域，再在此n型區(qū)域上以熱分散構(gòu)成一高濃度的p型區(qū)域，接著以金屬覆蓋p、n以及下方的p型區(qū)域構(gòu)成歐姆

3、接觸。 雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4 4 圖(a)為理想的一維構(gòu)造p-n-p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，構(gòu)成兩個(gè)p-n結(jié)。濃度最高的p區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的分散長(zhǎng)度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。 圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電路符號(hào)，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭頭和“十、“一符號(hào)分別表示晶體管在

4、普通任務(wù)方式(即放大方式)下各電流的方向和電壓的極性，該方式下，射基結(jié)為正向偏壓(VEB0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB0)。發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)PE E集電區(qū)集電區(qū)P基區(qū)基區(qū)nBC C+ + + +- - - -ECVEBVCBV(a)理想一維p-n-p雙級(jí)型集體管(a)理想一維p-n-p雙級(jí)型集體管發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)PE E集電區(qū)集電區(qū)P基區(qū)基區(qū)nB BC C+ + + +- -CEVBEVBCV(c)理想一維n-p-n雙級(jí)型集體管(c)理想一維n-p-n雙級(jí)型集體管ECV+ +- -B- -+ +E+ +- -CEBVBCVEICIBI(b)p-n-p雙級(jí)型集體管的電路符號(hào)(b)p-n-p雙級(jí)型集體管

5、的電路符號(hào)CEV+ +- -B- -+ +E E+ +- -C CBEVCBVEICIBI(d)n-p-n雙級(jí)型集體管的電路符號(hào)(d)n-p-n雙級(jí)型集體管的電路符號(hào)圖 4.2圖 4.2發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)PE E集電區(qū)集電區(qū)P基區(qū)基區(qū)nBC C+ + + +- - - -ECVEBVCBV(a)理想一維p-n-p雙級(jí)型集體管(a)理想一維p-n-p雙級(jí)型集體管發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)PE E集電區(qū)集電區(qū)P基區(qū)基區(qū)nB BC C+ + + +- -CEVBEVBCV(c)理想一維n-p-n雙級(jí)型集體管(c)理想一維n-p-n雙級(jí)型集體管ECV+ +- -B- -+ +E+ +- -CEBVBCVEICIBI雙極型

6、晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理+-現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5 5 圖(a)是一熱平衡形狀下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點(diǎn)接在一同，或者三端點(diǎn)都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個(gè)p-n結(jié)的耗盡區(qū)。圖(b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。圖4.3(c)表示耗盡區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。圖(d)是晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡形狀下的p-n結(jié)能帶直接延伸，運(yùn)用到兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)與n-p結(jié)。各區(qū)域中EF堅(jiān)持程度。 雙極型晶體管雙極型晶體管(pn

7、p型型)任務(wù)在放大方式任務(wù)在放大方式發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPnEWBWCWADNNxxECEFEVECEFEVE圖4.3（a）所有端點(diǎn)接地的p-n-p晶體管（熱平衡狀態(tài)）圖4.3（a）所有端點(diǎn)接地的p-n-p晶體管（熱平衡狀態(tài)）（b）突變摻雜晶體管的摻雜濃度分布（b）突變摻雜晶體管的摻雜濃度分布（c）電場(chǎng)分布（c）電場(chǎng)分布（d）熱平衡狀態(tài)下的能帶圖（d）熱平衡狀態(tài)下的能帶圖雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 6 6 圖(a)為任務(wù)在放大方式下的共基組態(tài)p-n-p型晶體管

8、，即基極被輸入與輸出電路所共用，圖(b)與圖(c)表示偏壓形狀下空間電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度分布的情形，與熱平衡形狀下比較，射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基結(jié)耗盡區(qū)變寬。圖(d)是晶體管任務(wù)在放大方式下的能帶圖，射基結(jié)為正向偏壓，因此空穴由p發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。 雙極型晶體管任務(wù)在放大方式雙極型晶體管任務(wù)在放大方式發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸出輸出BIEICIEBVBCV(a)(a)0W(b)(b)(c)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx(d)(d)圖4.4圖4.4雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)

9、代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 7 7 在理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會(huì)有產(chǎn)生-復(fù)合電流，所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。而集基結(jié)是處在反向偏壓的形狀，因此將有一反向飽和電流流過(guò)此結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便可以分散經(jīng)過(guò)基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下經(jīng)過(guò)集電區(qū)。此種輸運(yùn)機(jī)制便是注射載流子的“發(fā)射極“以及搜集臨近結(jié)注射過(guò)來(lái)的載流子的“集電極稱號(hào)的由來(lái)。發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸出輸出BIEICIEBVBCV(a)(a)0W(b)(b)

10、(c)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx(d)(d)圖4.4圖4.4雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 8 8 假設(shè)大部分入射的空穴都沒(méi)有與基區(qū)中的電子復(fù)合而到達(dá)集電極，那么集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射極空穴電流：IEpICp。 可見(jiàn)，由臨近的射基結(jié)注射過(guò)來(lái)的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)呵斥大電流，這就是晶體管的放大作用，而且只需當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)(基區(qū)寬度足夠窄)才會(huì)發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。相反地，假設(shè)此兩p-n結(jié)間隔太遠(yuǎn)(基區(qū)寬度太大) ，一切入

11、射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合而無(wú)法到達(dá)集基區(qū)，并不會(huì)產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時(shí)p-n-p的構(gòu)培育只是單純兩個(gè)背對(duì)背銜接的p-n二極管。 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸出輸出BIEICIEBVBCV(a)(a)0W(b)(b)(c)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx(d)(d)圖4.4圖4.4雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 9 9 以下圖中顯示出一理想的p-n-p晶體管在放大方式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無(wú)產(chǎn)生-復(fù)合電流，那么由

12、發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分IEp 。電流增益電流增益發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))(P基區(qū)基區(qū))(n集電區(qū)集電區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴電流空穴電流和空穴流和空穴流電子電流電子電流電子流電子流圖4.5圖4.5大部分的入射空穴將會(huì)到達(dá)集電極而構(gòu)成ICp。基極的電流有三個(gè)，即IBB、IEn、ICn。其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)合的電子電流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。 雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器

13、件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1010晶體管各端點(diǎn)的電流可由上述各個(gè)電流成分來(lái)表示 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))(P基區(qū)基區(qū))(n集電區(qū)集電區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴電流空穴電流和空穴流和空穴流電子電流電子電流電子流電子流圖4.5圖4.5晶體管中有一項(xiàng)重要的參數(shù)，稱為共基電流增益，定義為 ,EnEpEIII,CnCpCIIICnCpEpEnCEBIIIIIII)(ECIIp0因此，得到 ppnppnpp0ECEEEEECIIIIIIII雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津

14、工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1111發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))(P基區(qū)基區(qū))(n集電區(qū)集電區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴電流空穴電流和空穴流和空穴流電子電流電子電流電子流電子流圖4.5圖4.5第二項(xiàng)稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，是到達(dá)集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比，即 所以 上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)稱為發(fā)射效率，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流的比，即： npppEEEEEIIIIIppECTIIT0雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1212

15、發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))(P基區(qū)基區(qū))(n集電區(qū)集電區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴電流空穴電流和空穴流和空穴流電子電流電子電流電子流電子流圖4.5圖4.5其中ICn是發(fā)射極斷路時(shí)(即IE=0)集基極間的電流，記為ICBO，前兩個(gè)下標(biāo)CB表示集、基極兩端點(diǎn)，第三個(gè)下標(biāo)O表示第三端點(diǎn)(發(fā)射極)斷路，所以ICBO代表當(dāng)發(fā)射極斷路時(shí)，集基極之間的漏電流。共基組態(tài)下的集電極電流可表示為 對(duì)合格的晶體管，IEn遠(yuǎn)比IEp小，且ICp與IEp非常接近， T與都趨近于1，因此0也接近于1。集電極電流可用0表示，即 CnECnETCnETCnCpCIIIIIIIII0ppCBOECIII0雙極

16、型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1313例1：知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。試求出以下各值：(a)發(fā)射效率；(b)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T；(c)共基電流增益0；(d)ICBO。 解 a發(fā)射效率為 9967. 001. 033nppEEEIIIb基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為9967. 0399. 2ppECTIIc共基電流增益為 9934. 09967. 09967. 00Td共基電流增益為 3.01mA,mA01.

17、0m3npAIIIEEEAAAIIICCm991. 2m001. 0m99. 2npC所以 AmAmAIIIECCBO87. 001. 39934. 0991. 20雙極型晶體管的任務(wù)原理雙極型晶體管的任務(wù)原理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1414 為推導(dǎo)出理想晶體管的電流、電壓表示式，需作以下五點(diǎn)假設(shè)：1晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；2基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；3載流子注入屬于小注入；4耗盡區(qū)中沒(méi)有產(chǎn)生-復(fù)合電流；5晶體管中無(wú)串聯(lián)電阻。 假設(shè)在正向偏壓的情況下空穴由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，然后這些空

18、穴再以分散的方式穿過(guò)基區(qū)到達(dá)集基結(jié)，一旦確定了少數(shù)載流子的分布(n區(qū)域中的空穴)，就可以由少數(shù)載流子的濃度梯度得出電流。 各區(qū)域中的載流子分布各區(qū)域中的載流子分布 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1515 圖(c)顯示結(jié)上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在基區(qū)中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無(wú)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)延續(xù)方程式表示： 其中Dp和p分別表示少數(shù)載流子的分散系數(shù)和壽命。上式的普通解為 一、基區(qū)區(qū)域：一、基區(qū)區(qū)域：發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIE

19、BVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 40022pnnnpppdxpdD)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp其中 為空穴的分散長(zhǎng)度，常數(shù)C1和C2可由放大方式下的邊境條件 pppDL)exp()0(0kTqVppEBnn和0）（Wp

20、n決議。雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1616 其中pn0是熱平衡形狀下基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度，可由pn0=ni2/NB決議，NB表示基區(qū)中均勻的施主濃度。第一個(gè)邊境條件式表示在正向偏壓的形狀下，射基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣(x=0)的少數(shù)載流子濃度是熱平衡形狀下的值乘上exp(qVEB/kT)。第二個(gè)邊境條件表示在反向偏壓的形狀下，集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣(x=W)的少數(shù)載流子濃度為零。 將邊境條件代入得)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp)sinh()sinh(1)sin

21、h()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1717當(dāng)x1時(shí)，sinh(x)將會(huì)近似于x。所以當(dāng)W/Lp1時(shí)，可簡(jiǎn)化為 即：少數(shù)載流子分布趨近于不斷線。此近似是合理的，由于在晶體管的設(shè)計(jì)中，基極區(qū)域的寬度遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的分散長(zhǎng)度。如圖。可見(jiàn)，由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè)，可簡(jiǎn)化電流-電壓特

22、性的推導(dǎo)過(guò)程。 WxpWxkTqVpxpEB）（1)0(1exp)(n0nn)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1818和 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載流子分布可以用類似上述基區(qū)情況的方法求得。在圖中，發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊境條件為 二、發(fā)射極和集電極

23、區(qū)域二、發(fā)射極和集電極區(qū)域 ：)exp()(nkTqVnxxEBEOEE0)exp()(nkTVqnxxCBCOCC其中nEO和nCO分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡形狀下的電子濃度。設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠(yuǎn)大于分散長(zhǎng)度LE和LC，將邊境條件代入)(exp)(exp)(21EEppLxCLxCnxn得到EEEEBEOEOExxLxxkTqVnnx,exp1)exp()(n）（發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性n ( )exp,CCCOCOCCxxxnnxxL（-）現(xiàn)代半導(dǎo)體

24、器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1919由少子分布可計(jì)算出晶體管中的各項(xiàng)電流成分。在x=0處，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流IEp與少數(shù) 載 流 子 濃 度 分 布 的 梯 度 成 正 比 ， 因 此 當(dāng)W/Lp1時(shí)，空穴電流IEp可以由式放大方式下理想晶體管的電流放大方式下理想晶體管的電流 ：同理，在tW處由集電極所搜集到的空穴電流為 表示為WxWxVxEB）（1)0(p1kTqexpp)(pn0nn)exp(ddpq00nppkTqVWpqADxDAIEBnpxE)exp(ddpq0nppkTqVWpqADxDAIEBnpWxC雙

25、極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))(P基區(qū)基區(qū))(n集電區(qū)集電區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴電流空穴電流和空穴流和空穴流電子電流電子電流電子流電子流圖4.5圖4.5當(dāng)W/Lp1時(shí)，IEp= ICp?，F(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2020而IEn是由基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電子流構(gòu)成的，ICn是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流構(gòu)成的，分別為 其中DE和DC分別為電子在發(fā)射區(qū)和集

26、電區(qū)中的分散系數(shù)。 各端點(diǎn)的電流可由以上各方程式得出。發(fā)射極電流IE=IEp+IEn，即 1)exp(AkTqVLnqADdxdnqDIEBEEOExxEEEnECCOCxxCCCnLnqADdxdnqDAIC12111)exp(akTqVaIEBE)(011EEOEnpLnDWpDqAaWpqADanp012其中雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū))(P基區(qū)基區(qū))(n集電區(qū)集電區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴電流空穴電流和空穴流和空穴流

27、電子電流電子電流電子流電子流圖4.5圖4.5現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2121集電極電流IC=ICp+ICn，即 可見(jiàn)12= 21。理想晶體管的IB=IE-IC，即 所以，晶體管三端點(diǎn)的電流主要是由基極中的少子分布來(lái)決議，一旦獲得了各電流成分，即可由其中22211)exp(akTqVaIEBCWpqADanp021)(022CCOCnpLnDWpDqAa)(1)exp()(22122111aakTqVaaIEBB得出共基電流增益 npppEEEEEIIIIIppECTII和T0雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜

28、態(tài)特性發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2222例2：一個(gè)理想的p+-n-p晶體管，其發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度分別為1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而壽命分別為10-8s、10-7s和10-6s，假設(shè)有效橫截面面積A為0.05mm2，且射基結(jié)正向偏壓在0.6V，試求晶體管的共基電流增益。其他晶體管的參數(shù)為DE=1cm2

29、/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 解： 在基極區(qū)域中 在發(fā)射極區(qū)域中 cmcmDLpPp371010103231729201013. 910)1065. 9(cmcmNnpBincmDLEEE41032i13. 9ncmNnEEO雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2323由于W/Lp=0.051，各電流成分為 共基電流增益0為 AAeIEp440259. 0/6 . 042419107137. 110105 . 01031. 910105106 . 1

30、AICp4107137. 1AAeIEn80259. 0/6 . 04419105687. 8) 1(1031. 91105106 . 1995. 0105687. 8107137. 1107137. 18440EnEpCpIII雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2424在W/Lp1，所以IB的微小變化將呵斥IC的猛烈變化。以下圖是不同的基極電流下，輸出電流-電壓特性的丈量結(jié)果。可見(jiàn)當(dāng)IB=0時(shí)，集電極和發(fā)射極間還存在一不為零的ICEO。 假設(shè)基極的中性區(qū)域?qū)挾?W)為定值時(shí)，在

31、共射組態(tài)的理想晶體管中，固定的IB下，且VEC0(即處于放大區(qū))時(shí)，IC與VEC不相關(guān)。EBCpnpECBICIEI(a)p-n-p晶體管的共射組態(tài)(a)p-n-p晶體管的共射組態(tài)EECVBCVB864201020CBOBV飽和飽和截止截止（b）其輸出電流電壓特性（b）其輸出電流電壓特性CEOIAIB250CBV0Ic/Ic/m mA A1015205雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性0001BCIICEOBCIII0放大放大現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3232 但實(shí)踐上，基極中的空間電荷區(qū)會(huì)隨著VEC改動(dòng)

32、，使得基區(qū)的中性區(qū)域?qū)挾?W)是VEC的函數(shù)，因此IC將與VEC相關(guān)。 當(dāng)VEC增大時(shí)，W減小，導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度添加，亦即使得分散電流添加，因此IC也會(huì)添加。 以下圖顯示出IC隨著VEC的添加而添加，這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點(diǎn)，稱為厄雷電壓 VA。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性CIECV0AVBIEBCpnpECBICIEI(a)p-n-p晶體管的共射組態(tài)(a)p-n-p晶體管的共射組態(tài)EECVBCVB864201020CBOBV飽和飽和截止截止（b）其輸出電流電壓特性（b）其輸出電流電壓特

33、性CEOIAIB250CBV0Ic/Ic/m mA A1015205圖4.10圖4.10現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3333例3：知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射電流增益0，并以0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。 解： 發(fā)射效率為 9967. 001. 033nppEEEIII基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為9967. 0399. 2ppECTII共基電流增益為 9934. 09967. 09967. 00T因此可得 5 .150

34、9934. 019934. 00CBOCBOCEOIII) 1() 11(000AAICEO461032. 11087. 0) 15 .150(所以 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3434前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性(直流特性)，沒(méi)有涉及其交流特性，也就是當(dāng)一小信號(hào)重疊在直流值上的情況。小信號(hào)意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。 頻率呼應(yīng)頻率呼應(yīng) 高頻等效電路：圖高頻等效電路：圖(a)是以共射組態(tài)晶體管是以共射組態(tài)晶體管所構(gòu)成的放大器電路，在固定的直流輸入所構(gòu)成的

35、放大器電路，在固定的直流輸入電壓電壓VEB下，將會(huì)有直流基極電流下，將會(huì)有直流基極電流IB和直和直流集電極電流流集電極電流IC流過(guò)晶體管，這些電流代流過(guò)晶體管，這些電流代表圖表圖(b)中的任務(wù)點(diǎn)，由供應(yīng)電壓中的任務(wù)點(diǎn)，由供應(yīng)電壓VCC以及以及負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL所決議出的負(fù)載線，將以一所決議出的負(fù)載線，將以一1/RL的斜率與的斜率與VCE軸相交于軸相交于VCC。pnp(a)連接成共射組態(tài)的雙極晶體管(a)連接成共射組態(tài)的雙極晶體管ciEiBiEBVCCVEBV0246810Ic/Ic/m mA A5101505101520AIB25工作點(diǎn)工作點(diǎn)BitBiBICIcicit負(fù)載線負(fù)載線輸出電流輸

36、出電流（b）晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)（b）晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)圖4.12圖4.12CCVVVEC/雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性RL現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3535以下圖(a)是此放大器的低頻等效電路。圖(b)表示在高頻率的情況下，必需在等效電路中加上適當(dāng)?shù)碾娙?。與正向偏壓的p-n結(jié)類似，在正向偏壓的射基結(jié)中，會(huì)有一勢(shì)壘電容CEB和一分散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢(shì)壘電容CCB，如所示。 當(dāng)一小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí)，基極電流iB將會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)，而成為一時(shí)間函

37、數(shù)，如右圖所示。 輸入電流iB的變動(dòng)使得輸出電流iC跟著變動(dòng)， 而iC的變動(dòng)是iB變動(dòng)的0倍，因此晶體管放大器將輸入信號(hào)放大了。 pnp(a)連接成共射組態(tài)的雙極晶體管(a)連接成共射組態(tài)的雙極晶體管ciEiBiEBVCCVEBV0246810Ic/Ic/m mA A5101505101520AIB25工作點(diǎn)工作點(diǎn)BitBiBICIcicit負(fù)載線負(fù)載線輸出電流輸出電流（b）晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)（b）晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)圖4.12圖4.12CCVVVEC/( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上

38、勢(shì)勢(shì)壘壘和和擴(kuò)擴(kuò)散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBg雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVggEB現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3636其中(a)基本晶體管等效電路(a)基本晶體管等效電路EBVEECBEBmVg(b)基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容(b)基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB(c)

39、基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)(c)基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4.13圖 4.13稱為跨導(dǎo)(transconductance)EBCmvig稱為輸入電導(dǎo)(input conductance)。而基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(厄雷效應(yīng))，將產(chǎn)生一個(gè)有限的輸出電導(dǎo)。EBBEBvig另外，基極電阻rB和集電極電阻rC也都列入思索。圖(c)是參與上述各器件后的高頻等效電路。 ECCECvig雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性gEB現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3737截止頻率截止頻率 ：在右上圖中，跨導(dǎo)：在右

40、上圖中，跨導(dǎo)gm和輸和輸入電導(dǎo)入電導(dǎo)gEB與晶體管的共基電流增益與晶體管的共基電流增益0有關(guān)。在低頻時(shí)，有關(guān)。在低頻時(shí)， 0是定值是定值 (0 1且且0 1)，不會(huì)因任務(wù)頻率而改動(dòng)，不會(huì)因任務(wù)頻率而改動(dòng)，然而當(dāng)頻率升高至一關(guān)鍵點(diǎn)后，然而當(dāng)頻率升高至一關(guān)鍵點(diǎn)后， 0將會(huì)降低。右以下圖是一典型的共基將會(huì)降低。右以下圖是一典型的共基電流增益相對(duì)于任務(wù)頻率的表示圖。電流增益相對(duì)于任務(wù)頻率的表示圖。參與頻率參量后，共基電流增益為參與頻率參量后，共基電流增益為 ( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢(shì)勢(shì)壘壘和和擴(kuò)擴(kuò)散

41、散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB)/(10ffj其中0是低頻(或直流)共基電流增益，f是共基截止頻率，當(dāng)任務(wù)頻率f = f時(shí)，的值為0.707 0(下降3dB)。 雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性51061071081091010101 . 010010210310dB3fdB3fTf頻率頻率Hz/現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3838右圖中也顯示了共射電流增益，由上式可得 其中f稱為共射截止頻率 )

42、/(110ffjff)1 (0由于01，所以f f。另外，截止頻率fT(又稱特征頻率)定義為|=1時(shí)的頻率，將前式等號(hào)右邊的值定為1，可得出 ffffT00020)1 (1由于0 1且0 Qs時(shí)，晶體管任務(wù)于飽和區(qū)。 IC對(duì)時(shí)間的變化顯示在圖(c)中。 在導(dǎo)通的過(guò)程中，tt1時(shí)，QBt1時(shí)， QBQs，晶體管進(jìn)入飽和方式，而發(fā)射極和集電極電流大致維持定值。圖(d)顯示在tt1時(shí)，空穴分布pn(x)與t=t1時(shí)平行，所以在x=0和x=W處的空穴濃度梯度即電流維持一樣。 在封鎖的過(guò)程中，器件起初是在飽和方式下，直到QB降至Qs，重新回到放大方式。由t2到QB=Qs時(shí)的t3這段時(shí)間稱為存儲(chǔ)延遲時(shí)間。

43、器件在t=t3后，IC以指數(shù)方式衰減到零。 （c）（c）圖 4.16 晶體管開(kāi)關(guān)特性.(a)基極輸入電流脈沖;(b)基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化;圖 4.16 晶體管開(kāi)關(guān)特性.(a)基極輸入電流脈沖;(b)基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化; (c)集電極電流隨時(shí)間的變化; (d)基極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布 (c)集電極電流隨時(shí)間的變化; (d)基極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布CI0t2t（a）（a）（b）（b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（d）（d）（ c c ）圖圖 4 4 . . 1 1 6 6 晶晶 體

44、體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 特特 性性 . . ( ( a a ) ) 基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ; ( ( b b ) ) 基基 極極 儲(chǔ)儲(chǔ) 存存 電電 荷荷 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( c c ) ) 集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( d d ) ) 基基 極極 在在 不不 同同 時(shí)時(shí) 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a ）（ b b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0W0t1t和和3t

45、（ d d ）雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性b bt0)(2tQBBQSQ1t3tat2t現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4444（c）（c）圖 4.16 晶體管開(kāi)關(guān)特性.(a)基極輸入電流脈沖;(b)基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化;圖 4.16 晶體管開(kāi)關(guān)特性.(a)基極輸入電流脈沖;(b)基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化; (c)集電極電流隨時(shí)間的變化; (d)基極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布 (c)集電極電流隨時(shí)間的變化; (d)基極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布CI0t2t（a）（a）（b）（b）t

46、0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（d）（d） 導(dǎo)通時(shí)間取決于能如何迅速地將空穴(p-n-p晶體管中的少數(shù)載流子)參與基極區(qū)域，而封鎖時(shí)間那么取決于能如何迅速地經(jīng)過(guò)復(fù)合將空穴移除。 晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)最重要參數(shù)是基區(qū)的少子壽命p。 一個(gè)有效降低p、使轉(zhuǎn)換變快的方法是參與接近禁帶中點(diǎn)的產(chǎn)生-復(fù)合中心，使導(dǎo)通時(shí)迅速產(chǎn)生少子，封鎖時(shí)迅速?gòu)?fù)合少子。 雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率呼應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 45

47、45 由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)是不同的半導(dǎo)體資料，它們的禁帶寬度差將對(duì)HBT的電流增益呵斥影響，當(dāng)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T非常接近1時(shí)，共射電流增益可表示為 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)是指晶體管中的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)由不同的半導(dǎo)體資料所構(gòu)成。HBT的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射效率較高，其運(yùn)用根本上與雙極型晶體管一樣，但HBT具有較高的速度，可以任務(wù)在更高的頻率。由于其具有這些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字運(yùn)用上非常受歡迎。如在微波運(yùn)用方面，HBT常被用來(lái)制造固態(tài)微涉及毫米波功率放大器、震蕩器和混頻器。 HBT的電流增益的電流增益 ： 1,111000TTT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器

48、件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4646 發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少子濃度可寫(xiě)為 對(duì)n-p-n型晶體管，將 EpEOLWnpDD0nE1110代入 可得 EOpEpoEOEpnLWnpDD0n01EEVCEiEONkTENNNnp）（發(fā)射區(qū)）發(fā)射區(qū)g2exp)(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管發(fā)射區(qū)少子濃度。對(duì)于同質(zhì)結(jié)晶體管，可經(jīng)過(guò)重?fù)诫s發(fā)射區(qū)以減小其數(shù)值基區(qū)少子濃度。對(duì)于同質(zhì)結(jié)晶體管，可經(jīng)過(guò)輕摻雜發(fā)射區(qū)以添加其數(shù)值發(fā)射區(qū)禁帶寬度。對(duì)于異質(zhì)結(jié)晶體管，EgE與pEO成反比，增大EgE使pEO數(shù)值減小，以增大和0BBVCBipNkTENNNnn）（基區(qū)）基區(qū)

49、g20exp)(基區(qū)禁帶寬度。對(duì)于異質(zhì)結(jié)晶體管，EgB與np0成反比，減小EgB使np0 數(shù)值增大，以增大和0現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4747 因此，由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體資料的不同，它們的禁帶寬度差將對(duì)HBT的電流增益呵斥影響，且)exp()exp(0kTENNkTEENNgBEgBgEBE異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 留意：發(fā)射區(qū)為寬禁帶、基區(qū)為窄禁帶半導(dǎo)體資料，才干實(shí)現(xiàn)對(duì)電流增益的提高。 普通情況下，異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)資料間具有很大的禁帶寬度差Eg，發(fā)射效率和共射電流增益0可以提到很高

50、。而同質(zhì)結(jié)晶體管并無(wú)禁帶寬度差存在，必需將發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比提到很高，這是同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管最根本的不同處。現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4848 大部分HBT的技術(shù)都是在AlxGa1-xAs/GaAs資料系統(tǒng)中開(kāi)展的，右圖是一個(gè)根本n-p-n型HBT構(gòu)造。 n型發(fā)射區(qū)是以寬禁帶的AlxGa1-xAs組成，為了構(gòu)成歐姆接觸，在發(fā)射區(qū)接觸和砷化鋁鎵層之間加了一層高摻雜濃度的n+型砷化鎵。 p+型基區(qū)是以窄禁帶的GaAs組成。 n型集電區(qū)和n型次集電區(qū)分別以低摻雜濃度和高摻雜濃度的GaAs組成。 根本根本HB

51、T構(gòu)造構(gòu)造發(fā)射極接觸發(fā)射極接觸GaAsn AIGaAsn 基極接觸基極接觸GaAsP 次極電極次極電極集電極集電極接觸接觸半絕緣GaAs襯底半絕緣GaAs襯底nGaAs(a)n-p-n HBT結(jié)構(gòu)的截面圖示(a)n-p-n HBT結(jié)構(gòu)的截面圖示發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)CEVE(b)放大模式下HBT的能帶圖(b)放大模式下HBT的能帶圖圖 4.17圖 4.17異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管發(fā)射極接觸發(fā)射極接觸GaAsn AIGaAsn 基極接觸基極接觸GaAsP 次極電極次極電極集電極集電極接觸接觸半絕緣GaAs襯底半絕緣GaAs襯底nGaAs(a)n-p-n HBT結(jié)構(gòu)的截面圖示

52、(a)n-p-n HBT結(jié)構(gòu)的截面圖示發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)CEVE發(fā)射區(qū)和基區(qū)間的能帶差在異質(zhì)結(jié)界面上呵斥了一個(gè)能帶偏移?，F(xiàn)實(shí)上，HBT優(yōu)良的特性是直接由價(jià)帶在異質(zhì)界面處的不延續(xù)所呵斥的。現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4949EV添加了射基異質(zhì)結(jié)處價(jià)帶勢(shì)壘的高度，此效應(yīng)使得HBT不用像同質(zhì)結(jié)晶體管那樣必需降低基區(qū)摻雜濃度以保證發(fā)射區(qū)和基區(qū)較高的摻雜濃度比，HBT可以運(yùn)用較高摻雜濃度的基區(qū)，而同時(shí)維持極高的發(fā)射效率和電流增益；基區(qū)的高摻雜濃度可降低基區(qū)的方塊電阻，且基區(qū)可以做得很薄而不需擔(dān)憂穿通效應(yīng)。穿通效應(yīng)

53、是指集基結(jié)的耗盡層往基極延伸，最后與射基結(jié)的耗盡層接觸的景象。窄基區(qū)寬度可以降低基區(qū)渡越時(shí)間B ，且添加截止頻率，這正是人們期望的特性。 發(fā)射極接觸發(fā)射極接觸GaAsn AIGaAsn 基極接觸基極接觸GaAsP 次極電極次極電極集電極集電極接觸接觸半絕緣GaAs襯底半絕緣GaAs襯底nGaAs(a)n-p-n HBT結(jié)構(gòu)的截面圖示(a)n-p-n HBT結(jié)構(gòu)的截面圖示發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)CEVE異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管HBT表現(xiàn)出的性能優(yōu)勢(shì)：現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5050二、硅/硅鍺(

54、Si/SiGe) 系異質(zhì)結(jié)，此系統(tǒng)有幾項(xiàng)特性在HBT的運(yùn)用中非常具有吸引力。好像砷化鋁鎵/砷化鎵HBT，硅/硅鍺HBT也因禁帶寬度差可重?fù)诫s基區(qū)而具有高速才干。硅界面具有低圈套密度的特性，可以減少外表復(fù)合電流，確保在低集電極電流時(shí)，仍可維持高的電流增益?？膳c規(guī)范硅工藝技術(shù)相容。缺乏之處：與砷化鎵系和磷化銦系HBT相比，截止頻率低。(硅的載流子遷移率較低呵斥) 一、磷化銦(InP)系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)異質(zhì)構(gòu)造有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。InP/InGaAs構(gòu)造具有非常低的外表復(fù)合，而且InGaAs的電子遷移率較GaAs高出很多，使基區(qū)渡越時(shí)間B大大降低，具有相當(dāng)優(yōu)良的高頻性

55、能，其截止頻率可高達(dá)254GHz。InP集電極在強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)比GaAs集電極具有更高的漂移速率，提高信號(hào)傳輸速度。InP集電極擊穿電壓亦比GaAs集電極高，抗擊穿性能強(qiáng)。 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 51512. 制造緩變基區(qū)，以將由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的禁帶寬度減小。將基區(qū)AlxGa1-xAs中的Al的摩爾比率x由0.10作線性變化就可以實(shí)現(xiàn)緩變基區(qū)。其中存在一內(nèi)建電場(chǎng)Ebi于準(zhǔn)中性基區(qū)內(nèi)，降低少子的基區(qū)渡越時(shí)間B ，添加了HBT的共射電流增益與截止頻率。 在前面根本HBT

56、的能帶圖中，導(dǎo)帶上的能帶不延續(xù)EC迫使異質(zhì)結(jié)中的載流子必需以熱電子發(fā)射或隧穿的方法才干越過(guò)勢(shì)壘，因此降低發(fā)射效率和集電極電流，是我們所不希望的。此缺陷的抑制由如下方式到達(dá)：1. 制造緩變層異質(zhì)結(jié)，消除EC，以下圖顯示一緩變層加在射基異質(zhì)結(jié)中的能帶圖，緩變層的厚度為Wg。 先進(jìn)的先進(jìn)的HBT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5252 一個(gè)四層p-n-p-n器件，由3個(gè)串接的p-n結(jié)J1、J2、J3組成。與接觸電極相連的最外一p層稱為陽(yáng)極，另一邊的n層稱為陰極。這個(gè)沒(méi)有額外電極的構(gòu)造是個(gè)兩瑞

57、點(diǎn)的器件，被稱為p-n-p-n二極管。 在p-n-p-n二極管的根底上，在內(nèi)層的p2層上引出第三端電極，構(gòu)成的三端點(diǎn)器件普通稱為可控硅器件。引出的第三端電極為柵極?？煽毓杵骷挠猛荆?. 是一種非常重要的功率器件，對(duì)電流、電壓的控制范圍很廣，可控制高電壓(額定電壓可超越10000V)和高電流(額定電流超越5000A)；2. 用于開(kāi)關(guān)控制，即：使器件從封鎖或是阻斷的形狀轉(zhuǎn)換為開(kāi)啟或是導(dǎo)通的形狀，反之亦然；3. 其任務(wù)與雙極型晶體管的一樣之處：傳導(dǎo)過(guò)程皆牽涉到電子和空穴， 不同之處：開(kāi)關(guān)機(jī)制和構(gòu)造。根本特性根本特性 ：AK1J2J3J1p2p1n2nAIKIgIG可控硅器件及相關(guān)功率器件可控硅器件

58、及相關(guān)功率器件 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5353 制造過(guò)程： 圖(b)是一典型的可控硅器件摻雜濃度分布圖，首先選一高阻值的n型硅片當(dāng)作起始資料(n層)，再以一分散步驟同時(shí)構(gòu)成p1和p2層，最后用合金或分散，在硅片的一邊構(gòu)成n2層。能帶圖： 圖(c)是可控硅器件在熱平衡形狀下的能帶圖；其中每一個(gè)結(jié)都有耗盡層，其內(nèi)建電勢(shì)由摻雜濃度決議。 可控硅器件及相關(guān)功率器件可控硅器件及相關(guān)功率器件 AK1J2J3J1p2p1n2n2010201020102010陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極a a0 xWx 摻摻雜雜濃濃度度VECECEVE)(b)(c現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5454(1)-(2)：器件處于負(fù)電阻區(qū)域，也就是電流隨電壓急驟降