半導(dǎo)體器件物理晶體管基本結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布

§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)采用擴散法形成，基區(qū)寬度可以達到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)、高頻放大等場合三、

臺面晶體管集電結(jié)一般是擴散結(jié)，發(fā)射結(jié)可以用擴散法也可以用合金法制成。臺面晶體管的基區(qū)可以做得更薄，而且采用條形電極，PN結(jié)面積更小，從而減小了PN結(jié)電容，具有比合金擴散晶體管更好的頻率特性四、

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§3.2晶體管的電流放大原理晶體管的最主要的作用就是具有放大電信號的功能。單個PN結(jié)只具有整流作用而不能放大電信號，但是當(dāng)兩個彼此很靠近的PN結(jié)形成品體管時(晶體管的基區(qū)寬度要遠小于基區(qū)少于擴散長度)．兩個結(jié)之間就會相互作用而發(fā)生載流子交換，晶體管的電流放大作用正是通過載流子的輸運體現(xiàn)出來的。下面以NPN晶體管為例，分析晶體管的電流放大原理。

后面討論的晶體管通常是指均勻基區(qū)晶體管(除非特別說明)，并假設(shè)：發(fā)射區(qū)和集電區(qū)寬度遠大于少子擴散長度，基區(qū)寬度遠小于少子擴骸長度；發(fā)射區(qū)和集電區(qū)電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢壘區(qū)，勢壘區(qū)外沒有電場；發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散長度，且不存在裁流子的產(chǎn)生與復(fù)合；各區(qū)雜質(zhì)均勻分布，不考慮表面的影響，且載流子僅做一維傳輸；小注入，即注入的非平衡少子濃度遠小于多子濃度；發(fā)射結(jié)和集電結(jié)為理想的突變紀(jì)，且面積相等(用A表示)。

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?？梢?，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)的傳輸與復(fù)合到達基區(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。以上就是載流子三個主要傳輸過程，由于發(fā)射區(qū)的高摻雜，多數(shù)載流子(電子)濃度很高，所以晶體管載流于的傳輸主要是以電子的傳輸為主，因此我們可將上述三個過程簡單地總結(jié)為：

(1)發(fā)射極發(fā)射電子，電子穿越發(fā)射結(jié)進入基區(qū)——發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子；

(2)電子穿越基區(qū)——基區(qū)傳輸電子；

(3)電子穿越集電結(jié)，被集電極收集——集電極收集電子。此外，因為集電結(jié)反向偏置，所以集電區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)和基區(qū)中的少數(shù)載流子(電子)在外電場的作用下還將進行漂移運動。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3．8(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；電子帶負電，其傳輸方向與電子電流方向相反。由圖3．8(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)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遠遠小于電子擴散長度，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)(3)有In(X3)＝In(X4)。

(5)由于集電結(jié)反偏，集電極接電源的“＋”極，到達集電結(jié)與集電區(qū)邊界的電子將進行漂移，通過集電區(qū)流出集電極，形成集電極電流IC。

(6)此外，因為集電結(jié)反向偏置，所以集電區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)和基區(qū)中的少數(shù)載流子(電子)在外電場的作用下還將進行漂移運動而形成反向電流，這個電流稱為反向飽和電流，用ICBO表示。反向飽和電流ICBO包括兩部分：一部分為電子從基區(qū)漂移到集電區(qū)，形成的電子漂移電流InCB；另一部分為空穴從集電區(qū)漂移到基區(qū)形成的空穴漂移電流IpCB

，所以有

ICBO

＝InCB＋IpCB

，式中ICBO是少子漂移形成的反向電流，通常很小。

由圖3.8(b)可知，發(fā)射極發(fā)射的電子大部分都到達了集電極?？梢姡M管集電結(jié)處于反偏，但流過很大的反向電流，即處于反向大電流狀態(tài)。正是由于發(fā)射結(jié)的正向注入作用和集電結(jié)反向抽取作用，使得有一股很大的電子流由發(fā)射區(qū)流向集電區(qū)，這就是晶體管所以能有電流放大作用的根本原因。

(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3．8(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，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)；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)镮B

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)镮C

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