半導(dǎo)體器件物理與工藝_第5章課件

1、5.1 晶體管的工作原理晶體管的工作原理5.2 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性5.3 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性5.4 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管引引 言言2.晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明l理論推動理論推動19世紀(jì)末20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的三個重要物理效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)量子力學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展。l需求牽引：需求牽引：二戰(zhàn)期間雷達等武器的需求。1.1.什么是晶體管？什么是晶體管？ 晶體管（Transistor）是轉(zhuǎn)換電阻（Transfer resistor）的縮寫，是一個多重結(jié)的半導(dǎo)體

2、器件。通常與其他電路整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號功率增益電壓、電流或是信號功率增益。33. 雙極型晶體管雙極型晶體管 (Bipolar transistor)v 也稱雙極型結(jié)晶體管（Bipolar junction transistor, BJT）,是Bell Lab.于1947年發(fā)明的；v 是由靠的很近的靠的很近的兩個PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件；v 電子和空穴二種極性載流子同時參與輸運的具有電流和功率放大能力的三端半導(dǎo)體器件，也稱雙極性載流子晶體管雙極性載流子晶體管。v 在高速電路、模擬電路、功率放大高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。 雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的

3、器件。它有三個電極，所以又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體管。v 1947年12月23日：第一只點接觸晶體管點接觸晶體管誕生（Bell Lab. - Bardeen、Shockley、Brattain），意義重大意義重大。v 1949年：提出PN結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論-Bell Lab.(Shockley)1951年：制造出第一只鍺結(jié)型晶體管鍺結(jié)型晶體管-Bell Lab.(Shockley) ；v 1956年：制造出第一只硅結(jié)型晶體管硅結(jié)型晶體管-美德州儀器公司（TI）； Bardeen、Shockley、Brattain獲諾貝爾獎；v 1956年：中國制造出第一只鍺結(jié)型晶

4、體管 -（吉林大學(xué)）；v 1970年：硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)；v 現(xiàn)代雙極型晶體管，由Si取代Ge襯底，由耦合耦合PN結(jié)結(jié)代替點接觸點接觸。4. 發(fā)展歷史發(fā)展歷史第一個點接觸式的第一個點接觸式的NPN Ge晶體管晶體管 (transistor)Bardeen, Brattain, and Schockley獲獲1956年諾貝年諾貝爾物理獎爾物理獎6按功能- 高頻晶體管、低頻晶體管、大功率晶體管、小功率晶體管、開關(guān)晶體管、低噪聲晶體管，等。5. 分分 類類按材料 Ge晶體管、 Si晶體管、GaAs、SiGe晶體管等。按能帶結(jié)構(gòu) 同質(zhì)結(jié)晶體管(bipolar junction t

5、ransistor ，BJT)，一般稱其為晶體管。異質(zhì)pn結(jié)晶體管(HBT)，簡稱異質(zhì)結(jié)晶體管。異質(zhì)結(jié)晶體管具有更優(yōu)良的電學(xué)特性。l 為了得到性能優(yōu)良的晶體管，必須保證管內(nèi)結(jié)構(gòu)：為了得到性能優(yōu)良的晶體管，必須保證管內(nèi)結(jié)構(gòu)： . .發(fā)射區(qū)相對基區(qū)要重?fù)诫s；發(fā)射區(qū)相對基區(qū)要重?fù)诫s； . .基區(qū)要很窄（基區(qū)要很窄（2 2微米以下）；微米以下）； . .集電結(jié)面積要大于發(fā)射結(jié)面積。集電結(jié)面積要大于發(fā)射結(jié)面積。p-n-p雙極型硅晶體管透視圖1.1.晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管的基本結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體襯底熱擴散工藝8A.熱擴散工藝技術(shù)緩變基區(qū)晶體管(漂移(型)晶體管 )均勻基區(qū)晶體管(擴散(型)晶體管) B. CV

6、D技術(shù)N+N-p(a) 理想一維p-n-p雙極型晶體管(b) p-n-p雙極型晶體管的電路符號2.2.晶體管的類型晶體管的類型p-n-p晶體管晶體管10(c) 理想一維n-p-n雙極型晶體管(d) n-p-n雙極型晶體管的電路符號n-p-n晶體管晶體管5.1.1 5.1.1 工作在放大模式工作在放大模式熱平衡狀態(tài)下理想p-n-p雙極型晶體管NENBNC所有端點接地的p-n-p晶體管、雜質(zhì)濃度分布、電場分布和能帶圖工作在放大模式下p-n-p雙極型晶體管(共基極組態(tài)放大器共基極組態(tài)放大器)p-n-p晶體管工作在放大模式的雜質(zhì)濃度分布、電場分布和能帶圖共基極組態(tài)共基極組態(tài): 基極被輸入和輸出電路所共

7、用。基極被輸入和輸出電路所共用。 設(shè)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，基區(qū)寬度wbLnb。E13在理想的二極管中，忽略耗盡區(qū)中的產(chǎn)生-復(fù)合電流:IE：發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴+基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子IC: 反向飽和電流當(dāng)當(dāng)WIEn，IEp與ICp非常接近，T和接近于1，所以0也接近于1.16 其中，ICn是當(dāng)發(fā)射極斷路時(IE=0)集電極間的電流，記ICB0，所以ICB0代表當(dāng)發(fā)射極斷路時，集電極之間的漏電流。所以，共基組態(tài)下，集電極電流也表示為：IC=0IE + ICB017例：已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，試求出下列

8、各值: (a) 發(fā)射效率；(b) 基區(qū)輸運系數(shù)T；(c) 共基極電流增益0；(d) ICB0 (c) 共基極電流增益0=T=0.99670.9967=0.9934(d) ICB0=IC 0IE = (ICp + ICn) 0(IEp+IEn) =2.991 0.99343.01=0.87A 主要討論理想晶體管的靜態(tài)電流、電壓特性，推導(dǎo)各端點電流方程式。5.2.1 5.2.1 各區(qū)域中的載流子分布各區(qū)域中的載流子分布五點假設(shè)：五點假設(shè)：晶體管各區(qū)域濃度為均勻摻雜；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；載流子注入屬于小注入；耗盡區(qū)無產(chǎn)生-復(fù)合電流； 晶體管中無串聯(lián)電阻。19一一. .基

9、極區(qū)域基極區(qū)域p-n-p晶體管工作在放大模式的載流子和電場分布 在中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無電場的穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程式表示：202nnnnnnppppppEpppppEDGtxxx 2020nnnpppppDx一般解為：012( )exp()exp()nnnnxxpxpCCLL20用放大模式下晶體管的邊界條件：0(0)exp()(W)=0EBnnnqVpppkT和 第一個邊界條件表示在正向偏壓的狀態(tài)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狀態(tài)下的值與 的乘積。exp()EBqVkT 第二個邊界條件表示在反向偏壓狀態(tài)下，集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣（x=W）的少數(shù)載流子濃度為零。21因此，

10、00-sinh()sinh( )exp()-11-sinhsinhppEBnnnppW xxLLqVpxppWWkTLL當(dāng)1時，sinh(). 當(dāng)W/Lp1時，上述方程式為：nexp()(1)= (0)(1-)EBnnoqVxxp xppkTWW（）可以看出，中性n區(qū)中少數(shù)載流子分布趨近于一直線。放大模式下p-n-p晶體管中各區(qū)域的少數(shù)載流子分布 由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè)，可簡化電流-電壓特性的推導(dǎo)過程。23二二. .發(fā)射極和集電極區(qū)域發(fā)射極和集電極區(qū)域00exp1exp,-EBEEEEEEqVxxnxnnxxkTL（ ）（） 00exp()CCCCCCxxnxnnxxL（ ）=，類似地

11、，也可求出發(fā)射區(qū)和集電區(qū)少數(shù)載流子分布。發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為：0( =-)exp()EBEEEqVnxxnkT0( =)exp()=0BCCCCqVnx xnkT假設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度都遠大于LE和LC，則245.2.2 5.2.2 放大模式下理想晶體管的電流放大模式下理想晶體管的電流少數(shù)載流子分布少數(shù)載流子分布電流密度電流密度p-n-p晶體管工作在放大模式的載流子在x=0處，IEpdpn/dx00-sinh()sinh( )exp()-11-sinhsinhppEBnnnppW xxLLqVpxppWWkTLL250()nE ppxdpIAqDdx()nC ppxWdpIAq

12、Ddxx=0 x=W26exp()(1)EBnnoqVxp xpkTW（）00()exp()pnnE BE ppxqA DpdpqVIAqDdxWkT0()exp()pnnE BC ppxWqA DpdpqVIAqDdxWkT當(dāng)當(dāng)W/Lp1時：時：27同理，同理，0()ex p ()1EEEEE BE nExxEd nq A Dnq VIAq Dd xLkT 0()CCCCC nCxxCdnqA DnIAqDdxL其中，DE和DC分別是電子在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的擴散系數(shù)。因此，因此，1112exp()1E BEE pE nqVIIIaakT001112PnEE OPnEDpDnqA DpaqAa

13、WLW（） ,其中，2122exp1EBCCpCnqVIIIaakT002122,PnPnCCOCqAD pD pD naaqAWWL其中，11211222()exp() 1 ()EBBECqVIIIaaaakT 結(jié)論：結(jié)論：晶體管三端點的電流主要是由基極中的少數(shù)載流子分布來決定的。295.2.3 5.2.3 工作模式工作模式 視射基結(jié)射基結(jié)與集基結(jié)集基結(jié)上的偏壓情況，雙極性晶體管分為四四種工作模式種工作模式：四種晶體管工作模式下的結(jié)極性與少數(shù)載流子分布工作模式工作模式l放大模式：放大模式：射基結(jié)正，集基結(jié)反l飽和模式：飽和模式：兩結(jié)都正向偏壓。極小的電壓就產(chǎn)生極大的輸出電流，晶體管處于導(dǎo)通狀

14、態(tài)(開關(guān)短路)。l截止模式：截止模式：兩結(jié)都反向偏壓。pn(0)=pn(W)=0，晶體管處于開路狀態(tài)(關(guān)閉)。l反轉(zhuǎn)模式：反轉(zhuǎn)模式：射基結(jié)反，集基結(jié)正。也稱反放大模式，晶體管的集電極用作發(fā)射極，發(fā)射極用作集電極。 用類似放大模式下求解電流、電壓的步驟，可得各模式下的一般表示式為：11122122exp1exp1exp1exp1CBEBECBEBCqVqVIaakTkTqVqVIaakTkT32例：一理想的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1019、1017和51015cm-3，而壽命分別為10-8、10-7和10-6s，假設(shè)有效橫截面積A為0.05mm2，且射基結(jié)正向偏

15、壓在0.6V，請求出晶體管的共基電流增益。其他晶體管的參數(shù)為DE=1、Dp=10、Dc=2cm2/s，W=0.5m.思路：0=ICp/(IEp+IEn), ICp，IEp和IEn?當(dāng)W/Lp1時n= (0)(1-)nxp x pW（）所以，基區(qū)中空穴電流為：00()exp()pnnE BE pC PpxqA DpdpqVIIAqDdxWkT0exp()1EEE BE nEqA DnqVILkT33解：要求參數(shù)Lp，LE, Pn0，nE0在基極區(qū)域中，73101010pppLDcmcm410EEELDcm22309.1310inBnPcmN2309.31iEEnncmN由于W/Lp1，所以各電流

16、成分為：41.713710E pC PIIA88.568710E nC PIIA3400.995C pE PC pIII分析： 當(dāng)W/Lp0變?yōu)閂BC=0后，x=W處的空穴濃度梯度改變量很少，使得集電極電流集電極電流在整個放大模式范圍內(nèi)幾乎相同。 當(dāng)在集基結(jié)上加一正向偏壓，集電極電流才降為零。正向偏壓造成x=W處的空穴濃度大增，與x=0處相等，因此集電極電流降為零。37二二. .共射組態(tài)共射組態(tài)p-n-p晶體管的共射組態(tài)輸出電流-電壓特性0001CBII00,1CBOCEOCBCEOIIIII所以：由 和 可得共射組態(tài)下集電極電流：IC=0IE + ICB0IE = IC+ IB 00011C

17、BOCBIII定義：0為共射電流增益為共射電流增益 其中，ICE0是當(dāng)IB=0時，集電極與發(fā)射極間的漏電流。一般遠大于1，所以基極電流的微小變化將造成集電極電流基極電流的微小變化將造成集電極電流的劇烈變化的劇烈變化。39現(xiàn)象：現(xiàn)象：在一共射組態(tài)的理想晶體管中，假設(shè)(理想情形)中性的基極區(qū)域(W)為定值時，當(dāng)IB固定且VEC0時，集電極電流與VEC不相關(guān)。 然而，實際情況下基極中的空間電荷區(qū)域空間電荷區(qū)域會隨集電極集電極和基極的電壓基極的電壓而改變，使得基區(qū)的寬度是集基偏壓的函數(shù)，從而集電極電流IC與VEC有關(guān)。VEC-W-載流子濃度梯度載流子濃度梯度 -擴散電流擴散電流 這種IC隨VEC的增加

18、而增加的現(xiàn)象稱為厄雷效應(yīng)厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。IC與VEC軸的交點稱為厄雷電壓厄雷電壓，用VA表示。VEC41定義：晶體管有效基區(qū)寬度隨集電結(jié)偏置電壓變化而變化的現(xiàn)象，稱為晶體管基區(qū)寬度效應(yīng)，又稱Early(厄利)效應(yīng)。IERwb1wb2VCB 或 VCE Xmc Wb 0 、0 VCB 或VCE Xmc Wb 0 、0 dnb(x)/dx JnEEarly(厄利)電壓42l 在交流工作狀態(tài)下，pn結(jié)的電容效應(yīng)將對晶體管的工作特性發(fā)生影響。頻率越高，pn結(jié)交流阻抗下降，對結(jié)電容的充放電電流增加，使晶體管的放電能力下降。l 頻率愈高，單位時間用于充放電的電子愈多，到達集電極的載流子愈少，結(jié)電容的分流作用愈大，基極電流愈大。因此，交流放大系數(shù)是頻率的函數(shù)，并隨頻率的升高而下降。同時，對結(jié)電容的充放電需要一定的時間產(chǎn)生信號延遲，使輸出和輸入信號存在相位差。l 因此，晶體管的使用頻率受到一定的限制。5.3.1 5.3.1 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)一、高頻等效電路一、高頻等效電路43共射組態(tài)雙極性晶體管晶體管電路的小信號工作狀態(tài)負(fù)載線：由供應(yīng)電壓Vcc以及負(fù)載電阻RL所決定（以斜率-1/RL與VEC軸相交于Vcc）。iC和iB隨時間變化44低頻下基本等效電路高頻下基本等效電路+電阻和電