半導(dǎo)體器件物理chapt3-1-晶體管的基本結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布課件

1、3.1 晶體管的基本結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布晶體管的基本結(jié)構(gòu)晶體管種類繁多按用途分：低頻、高頻、小功率、大功率、低噪聲和高反壓管等按制造工藝：合金管、擴散管、離子注入管等各種晶體管基本結(jié)構(gòu)都相同：兩種同導(dǎo)電類型的材料夾一反導(dǎo)電類型的薄層而構(gòu)成，中間夾層的厚度必須遠(yuǎn)小于該層材料少數(shù)載流子的擴散長度，有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)。實際上是兩個彼此十分靠近的背靠背的pn結(jié)，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)晶體管的制造工藝一、 合金晶體管Wb為基區(qū)寬度， Xje 和Xjc分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的結(jié)深合金晶體管的主要缺點是基區(qū)寬度較寬，一般為10um，所以頻率特性差，多工作于低頻場合二、 合金擴散晶體管合金擴散晶體管的基區(qū)采用擴

2、散法形成，基區(qū)寬度可以達(dá)到2-3um，同時基區(qū)雜質(zhì)具有一定分布濃度，所以頻率特性較好，可用于高速開關(guān)、高頻放大等場合四、 平面晶體管 采用平面工藝制造的平面晶體管是在臺面晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是目前生產(chǎn)的最主要的一種晶體管。其主要過程是：在N型硅片上生長一層二氧化硅膜，在氧化膜上光刻出一個窗口，進(jìn)行硼擴散，形成P型基區(qū)，然后在此P型層的氧化膜上再光刻一個窗口，進(jìn)行高濃度的磷擴散，得到N型發(fā)射區(qū)，并用鋁蒸發(fā)工藝以制出基極與發(fā)射極的引出電極，N型基片則用做集電極。硅片表面全都被擴散層和氧化層所覆蓋，像一個平面一樣，這就是平面晶體管名稱的由來。由于此晶體管的基區(qū)和發(fā)射區(qū)是由兩次擴散工藝形成的，因此

3、稱為雙擴散管。 在晶體管內(nèi)部，載流子在基區(qū)中的傳輸過程是決定晶體管許多性能(如增益、頻率特性等)的重要環(huán)節(jié)。而在幾何參數(shù)(基區(qū)寬度)確定后，基區(qū)雜質(zhì)分布是影響載流子基區(qū)輸運過程的關(guān)鍵因素。盡管晶體管有很多制造工藝，但在理論上分析其性能時，為方便起見，通常根據(jù)晶體管基區(qū)的雜質(zhì)分布情況的不同，將晶體管分為均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管。 均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質(zhì)是均勻分布的，如前面介紹的合金管等。在這類晶體管中，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸主要靠擴散機理進(jìn)行，所以又稱為擴散型晶體管。 緩變基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質(zhì)分布是緩變的如各種擴散管。這類晶體管的基區(qū)存在自建電場，載流子在基區(qū)除了擴散運動外，還存在漂移運動

4、且往往以漂移運動為主，故也稱漂移晶體管。 值得指出的是，在進(jìn)行晶體管的理論分析時，常以合金管和外延平面管為典型例子。因此，均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管往往是合金管和雙擴散外延平面管的代名詞。前者三個區(qū)域的雜質(zhì)分布均為均勻的，后者則除基區(qū)為緩變雜質(zhì)分布外，發(fā)射區(qū)雜質(zhì)分布也是緩變的。 均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管 晶體管的能帶及其載流子的濃度分布 1、平衡晶體管的能帶和載流子 的分布 在晶體管的三個端不加外電壓時(即平衡狀態(tài)下)，晶體管的能帶和載流子的分布如右圖所示。晶體管的三個區(qū)，發(fā)射區(qū)E、基區(qū)B、集電區(qū)C的雜質(zhì)為均勻分布，其中發(fā)射區(qū)為高摻雜，雜質(zhì)濃度最高，其余兩區(qū)濃度相對較低。發(fā)射結(jié)和集電

5、結(jié)的接觸電勢差分別為UDE和UDC。平衡狀態(tài)時，晶體管有統(tǒng)一的費米能級。 2、非平衡晶體管的能帶和載流子的分布當(dāng)晶體管正常工作時，所加的外電壓必須保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)加正向偏壓(用UE表示)，集電結(jié)加反向偏壓(用UC表示)。此時，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)處于非平衡狀態(tài)，沒有統(tǒng)一的費米能級，其能帶和載流子的分布如右圖所示。能帶的變化如圖(b)所示。可見，與平衡狀態(tài)時相比，如果假設(shè)基區(qū)能帶不變，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)能帶相對抬高qUE;集電結(jié)反偏，集電區(qū)能帶相對壓低qUC。載流子的分布，如圖(c)所示，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子(少子)在基區(qū)邊界積累，并向基區(qū)體內(nèi)擴散，邊擴散

6、邊復(fù)合，最后形成一穩(wěn)定分布，用nb(x)表示；同時，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴(少于)，并形成一穩(wěn)定分布，用pe(x)表示。對于集電結(jié)，由于處于反向偏置，將對載流子起抽取作用，集電結(jié)勢壘區(qū)兩邊邊界少子濃度下降為零，集電區(qū)少于濃度分布用pc(x)表示。 晶體管載流子的傳輸及各極電流的形成 1、載流子的傳輸 晶體管載流子的傳輸及各極電流的形成 1、載流子的傳輸(1)發(fā)射結(jié)正向偏置發(fā)射電子 由于發(fā)射結(jié)正向偏置，因而外加電場有利于多數(shù)載流子的擴散運動，高摻雜發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流于(電子)將向基區(qū)擴散(或注入)：同時，基區(qū)中的多數(shù)載流子(空穴)也向發(fā)射。區(qū)擴散并與發(fā)射區(qū)中的部分電子復(fù)合。 (2)載流子在基區(qū)的傳

7、輸與復(fù)合 到達(dá)基區(qū)的一部分電子將與P型基區(qū)的多數(shù)載流子(空定)復(fù)合。但是，由于低摻雜基區(qū)的空穴濃度LL較低，而且基區(qū)根薄，所以到達(dá)基區(qū)的電子與空穴復(fù)合的機會很少，大多數(shù)電子在基區(qū)中繼續(xù)傳輸，到達(dá)靠近集電結(jié)的一例。(3)集電結(jié)反向偏置收集電子 由于集電結(jié)反向偏置，外電場的方向?qū)⒆柚辜妳^(qū)中的多數(shù)載流于(電子)向基區(qū)運動，但是有利于將基區(qū)中擴散過來的電子，掃向集電區(qū)被集電極收集。載流子是帶電粒子，不管是電子還是空穴，只要做定向運動就會形成電流。圖38(b)標(biāo)明了載流子傳翰過程中形成的各電流及其方向(用小箭頭表示)：空穴帶正電，其傳輸方向就是空穴電流方向；電子帶負(fù)電，其傳輸方向與電子電流方向相反。由

8、圖38(b)可知，各電流的形成過程如下： (1)由于發(fā)射結(jié)加正偏，發(fā)射極為電源“”端，發(fā)射極將發(fā)射大量的電子，形成發(fā)射極電流IE； (2)發(fā)射區(qū)發(fā)射電子的大部分，擴散到發(fā)射區(qū)與發(fā)射結(jié)的邊界，迅速穿越發(fā)射結(jié)到達(dá)發(fā)射結(jié)與基區(qū)的邊界，分別形成電子電流人In(X1)、In(X2)。根據(jù)假設(shè)(3)，空間電荷區(qū)不存在載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，所以有In(X1)In(X2) 。 2、各電流的形成發(fā)射結(jié)正偏同時還使基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入空穴，在發(fā)射區(qū)與發(fā)射結(jié)的邊界以及發(fā)射結(jié)與基區(qū)的邊界，分別形成空穴電流Jp(X1)、Jp(X2)，同樣根據(jù)假設(shè)(3)有Jp(X1)Jp(X2)。注入到發(fā)射區(qū)的少子空穴在擴散過程中不斷與電子復(fù)

9、合而轉(zhuǎn)換為電子漂移電流，所以該電流既是發(fā)射極電流IE也是基極電流IB的組成部分。 (3) 聚集在發(fā)射結(jié)與基區(qū)邊界的電子，在穿越基區(qū)往集電結(jié)擴散的過程中，有一少部分電子將與基區(qū)中的空穴復(fù)合，形成體內(nèi)復(fù)合電流IVB，基極將提供相應(yīng)的空穴進(jìn)行補充，該電流為基極電流IB的一部分。 (4) 注入到基區(qū)的電子，在基區(qū)中形成電子濃度梯度，由于基區(qū)寬度Wb遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子擴散長度，所以注入到基區(qū)的電子的大部分來不及復(fù)合就擴散到基區(qū)與集電結(jié)的邊界。由于集電結(jié)反偏，擴散到基區(qū)與集電結(jié)邊界的電子，由于反向集電結(jié)的抽取作用很快穿越集電結(jié)，到達(dá)集電結(jié)與集電區(qū)的邊界，分別形成電子電流In(X3)、In(X4)；同樣根據(jù)假設(shè)(

10、3)有In(X3)In(X4) 。 (1)發(fā)射極電流IE 從上面的分析可知，發(fā)射極的正向電流IE是由兩部分電流組成的：一部分是注入基區(qū)的電子擴敬電流人In(X2) ，這股電流大部分能夠傳輸?shù)郊姌O，成為集電極電流IC的主要部分，見圖38(b)；另一部分是注入發(fā)射區(qū)的空穴擴散電流Ip(X1) ，這股電流對集電極電流IC無貢獻(xiàn)，且還是基極電流IB的一部分。所以有 IE Ip(X1)+In(X2) (3-2) (2)基極電流IB 基極電流IB是由三部分電流組成的：一部分是基區(qū)復(fù)合電流IVB ，它代表進(jìn)入基區(qū)的電子與空穴復(fù)合形成的電流；另一部分是發(fā)射結(jié)正偏，由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴擴散電流Ip(X1)

11、；還有一部分是集電結(jié)反偏的反向飽和電流ICBO，所以有 IB Ip(X1)+ IVB- ICBO (3-3) 由于集電結(jié)反偏的反向飽和電流ICBO是由少子的漂移形成的，通常ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以式(3-3)變?yōu)?IB Ip(X1)+ IVB (3-4) 3、晶體管各端電流的組成(3) 集電極電流IC 通過集電結(jié)和集電區(qū)的電流主要有兩部分：一部分是擴散到集電結(jié)邊界X3的電子擴散電流 In(X3) ，這些電子在集電結(jié)電場作用下漂移，通過集電結(jié)空間電荷區(qū)，變?yōu)殡娮悠齐娏鱅n(X4) ， In(X4) In(X3) ，它是一股反向大電流，是集電結(jié)電流IC的主要部分；另一部分是集

12、電結(jié)反向漏電流ICBO。因此，集電極電流為 IC In(X4) + ICBO (3-5) 通常， ICBO 很小，所以式(3-5)變?yōu)?IC In(X4) (3-6) (4) IE、 IC、IB的關(guān)系 從上面對電流傳輸機理的分析，可得 In(X2) In(X3) + IVB= In(X4) + IVB (3-7) 將式(3-7)代入式(3-2)，得 IE Ip(X1) + IVB+ In(X4) (3-8) 將式(3-3)、式(3-5)代入式(3-8)，得IE、 IC、IB的關(guān)系為 IE= IC+IB (3-9) 由此可見，總的發(fā)射極電流IE等于到達(dá)集電極的電子電流IC和通過基極流入的空穴電流IB之和。一只良好的晶體管， IE與IC十分接近，而IB是很小的(例如，只有IC的12)。 由圖3.8(b)可知，只需求出 Ip(X1)、IVB、 In(X2)和ICBO 的關(guān)系表示式，就可以方便地得到晶體管各端電流與電壓的關(guān)系式了。 1求 In(X2) In(X2) 是